Basic research on all-solid-state batteries: Clarifying the origin of interfacial resistance using advanced electrical potential measurement

全固态电池的基础研究：利用先进的电位测量阐明界面电阻的起源

基本信息

批准号：
21H01818
负责人：
石田暢之
金额：
$ 11.23万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

全固体リチウムイオン電池は有望な次世代蓄電池技術である。しかし、界面や粒界で生じる高いイオン伝導抵抗が実用化の大きな妨げとなっている。この界面抵抗を低減するためには、「界面抵抗の起源解明」および「それを可能とする界面抵抗の精密計測技術」が、試行錯誤的プロセス開発を脱却する上で本質的に重要である。本研究では、ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM）技術を基盤としたナノスケール電位計測技術を発展させ、「界面抵抗の起源と考えられている空間電荷層の精密計測」や、「単一粒界抵抗計測を実現する局所インピーダンス計測手法の開発」に取り組む。2022年度は2021年度に開発した局所インピーダンス計測法を実材料評価へと応用した。具体的には、市販のLiイオン伝導性固体電解質（LiLaTiO3）中の粒界抵抗成分の可視化を試みた。試料作製には湿式の精密研磨を採用し、粒界抵抗観察のための最適化を行った。これにより平坦かつ清浄な表面の作製に成功し、局所インピーダンス計測法を用いて、粒界で生じる電位降下や位相の変化を観察することに成功した。また、異なる固体電解質材料の接合界面でも同様の計測を行い、界面に生じる電位差や電位降下を計測した。今後はより高空間分解能のデータを取得し、粒界抵抗の長さのスケールを精密に評価し、粒界抵抗の要因を考察する。その他に、2021年度に引き続き、電極-固体電解質界面に形成される空間電荷層における界面抵抗の評価のための試料作製の最適化を行った。金エポキシ電極や湿式研磨、破断法を組み合わせた試料作製を様々試みたが、段差のない界面の作製条件の確立には至っていない。今後は、イオンミリング等、これまでに試していない手法も導入し、試料作製の最適化を図る。

全固态锂离子电池是一种很有前途的下一代电池技术。然而，界面和晶界处出现的高离子传导电阻是实际应用的主要障碍。为了降低这种界面阻力，必须“澄清界面阻力的根源”和“使这成为可能的精确的界面阻力测量技术”，以摆脱反复试验的工艺开发。在这项研究中，我们将开发基于开尔文探针力显微镜（KPFM）技术的纳米级电位测量技术，旨在进行“精确测量被认为是界面电阻起源的空间电荷层”和“ “单晶界电阻”。我们正在致力于开发局部阻抗测量方法来实现测量。 2022年，我们将2021年开发的局部阻抗测量方法应用到实际材料评估中。具体来说，我们尝试可视化市售的锂离子导电固体电解质（LiLaTiO3）中的晶界电阻成分。采用湿法精密抛光制备样品，并对晶界电阻观测进行优化。结果，他们成功地创建了平坦且干净的表面，并使用局部阻抗测量，他们能够观察晶界处发生的电势下降和相变。在不同固体电解质材料之间的接合界面处也进行了类似的测量，测量了界面处产生的电位差和电位降。未来，我们将获取更高空间分辨率的数据，精确评估晶界阻力的长度尺度，并考虑晶界阻力背后的因素。此外，从2021年开始，我们优化了样品制备，以评估电极-固体电解质界面处形成的空间电荷层的界面电阻。人们已经进行了各种尝试，结合使用金环氧树脂电极、湿法抛光和断裂方法来制备样品，但尚未建立产生无台阶界面的条件。未来，我们将引入以前未尝试过的方法，例如离子铣削，以优化样品制备。

项目成果

期刊论文数量（7）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Dynamically visualizing battery reactions by operando Kelvin probe force microscopy

DOI：
10.1038/s42004-019-0245-x
发表时间：
2019-12-12
期刊：
COMMUNICATIONS CHEMISTRY
影响因子：
5.9
作者：
Masuda, Hideki;Matsushita, Kyosuke;Ishida, Nobuyuki
通讯作者：
Ishida, Nobuyuki

ケルビンプローブフォース顕微鏡による電池反応の動的可視化

使用开尔文探针力显微镜动态可视化电池反应

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Shunsuke Yoshizawa;Keisuke Sagisaka;石田暢之
通讯作者：
石田暢之

Local impedance measurement by directly detecting oscillation of electrostatic potential

通过直接检测静电电位的振荡来测量局部阻抗

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
宮下和己;金田駿哉;渡邉信嗣;Nobuyuki Ishida
通讯作者：
Nobuyuki Ishida

ケルビンプローブフォース顕微鏡によるオペランド電位計測技術

使用开尔文探针力显微镜的操作电位测量技术

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Uedono Akira;Tanaka Ryo;Takashima Shinya;Ueno Katsunori;Edo Masaharu;Shima Kohei;Kojima Kazunobu;Chichibu Shigefusa F.;Ishibashi Shoji;Tomi Ohtsuki;石田暢之
通讯作者：
石田暢之

Local Impedance Measurement by Direct Detection of Oscillating Electrostatic Potential Using Kelvin Probe Force Microscopy