Stora framsteg när det gäller att förstå orsaken till hög resistivitet vid gränssnitten mellan elektrod och elektrolyt, vilket har hindrat utvecklingen av batterier med hög effektdensitet.

En forskargrupp från National Institute for Materials Science (NIMS) ledd av seniorforskaren Nobuyuki Ishida och postdoktorn Hideki Masuda, Ytkarakteriseringsgrupp, Research Center for Advanced Measurement and Characterization (Ishida är också en GRÖN ledare i Nano Interface Characterization Group), lyckats visualisera förändringen i nanoskala i potentialfördelning i kompositkatodmaterial i solid state litiumjonbatterier (SS-LIB) före och efter laddning/urladdning av batterierna. Resultaten från denna studie kan bidra till att identifiera orsaken till hög resistivitet vid gränssnitten mellan elektrod och elektrolyt, vilket har hindrat utvecklingen av SS-LIB:er med hög effekttäthet.

På grund av deras beprövade säkerhet och utmärkta cykelegenskaper, SS-LIB är tänkt som lovande nästa generations lagringsbatterier. Dock, på grund av det högre överföringsmotståndet för litiumjoner vid gränssnitten mellan elektrod och fast elektrolyt jämfört med den vid gränssnitten mellan elektrod och vätska, det är svårt att öka effekttätheten för SS-LIB:er. För att förstå ursprunget till gränssnittsresistivitet, modellering tillämpades på det litiumjonutarmade skiktet (rymdladdningsskiktet), som bildas i fasta elektrolyter när SS-LIB laddas, och till defekter i gränsskiktet. För att testa dessa hypoteser, det är viktigt att mäta förändringen i tjockleken på rymdladdningsskiktet, och förändringen i fördelningen av litiumjonkoncentrationer i det lagret före och efter laddning/urladdning av batterierna. Sedan, det kommer att vara möjligt att analysera korrelationen mellan dessa mätningar och gränssnittsresistivitet. Dock, det hade varit svårt att mäta den elektriska potentialfördelningen i SS-LIB-prover eftersom proverna måste extraheras utan att kompromissa med batteriets prestanda. Detta hade varit ett stort problem som hindrade forskare från att undersöka orsaken till gränssnittsresistivitet.

Forskargruppen utvecklade en metod där prover som ska mätas skärs ut från SS-LIB, tvärsnittet av proverna behandlas, och potentialfördelningen mäts med hjälp av ett skanningssondmikroskop, som alla utförs under en inert gasatmosfär eller i vakuum. Sedan visualiserade teamet framgångsrikt förändring i potentialfördelning som uppstår från batteriladdning/urladdning i den sammansatta katoden vid den höga rumsliga upplösningen (≤50 nm) samtidigt som batteriets prestanda bibehålls. När SS-LIBs (tillhandahålls av Taiyo Yuden Co., Ltd.) utvärderades med denna metod, resultaten visade att området där litiumjonkoncentrationerna minskade i storleksordningen mikrometer expanderade i området med fast elektrolyt, och att laddningstillstånd var lokalt inhomogena.

Denna metod är tillämpbar för utvärdering av rymdladdningsskikt i många typer av SS-LIB, och kan bidra till att förstå orsakerna till hög gränssnittsresistivitet i SS-LIB. Dessutom, denna metod är också användbar för utvärdering av skillnader i laddnings-/urladdningstillstånd för enskilda aktiva materialpartiklar som uppstår på grund av ojämn elektrisk konduktivitetsfördelning i kompositelektrodmaterialen. Därför, den nya metoden kan inte bara bidra till utformningen av gränssnitt för att förbättra prestandan hos SS-LIB:er utan även tillämpas på olika batterianalystekniker inklusive analys av orsaker till batteriförsämring.

En del av denna studie genomfördes i samband med projektet med titeln "Formation of super-jon conduction path in all-solid-state litium ion laddningsbart batteri genom design av kristallfasgränssnittet med hierarkiskt kontrollerade strukturer" (Katsuya Teshima, forskningschef), som genomfördes för att komplettera projektet "Skapande av innovativa funktionella material med avancerade egenskaper genom hyper-nano-rymddesign" (Tohru Setoyama, forskningshandledare), under de strategiska grundläggande forskningsprogrammen (särskilt CREST-programmet) som sponsras av Japan Science and Technology Agency (JST).