In-operando lithium-ion transport tracking in an all-solid-state battery

全固体半電池におけるリチウムイオン輸送のオペランド観測

小林 峰*; 大西 剛*; 大澤 崇人  ; Pratt, A.*; Tear, S.*; 霜田 進*; 馬場 秀忠*; Laitinen, M.*; Sajavaara, T.*

Kobayashi, Takane*; Onishi, Tsuyoshi*; Osawa, Takahito; Pratt, A.*; Tear, S.*; Shimoda, Susumu*; Baba, Hidetada*; Laitinen, M.*; Sajavaara, T.*

全固体電池は、正極と負極の間でリチウムイオンを輸送することで充放電を行う二次電池である。エネルギー密度の向上、充電時間の短縮、安全性の向上など、この電池技術の大きなメリットを十分に発揮するためには、動作中に電池内でリチウムイオンがどのように輸送・分布しているかを理解することが不可欠となる。しかし、3番目に軽い元素であるリチウムは、全固体デバイスの動作中に定量的に分析する方法が限られており、リチウムの輸送をリアルタイムで追跡することはまだ実証されていない。ここでは、熱中性子誘起核反応を利用し、リチウム6をトレーサーとして、高強度熱中性子源を用いて、全固体半電池内のリチウムイオンの輸送をほぼリアルタイムで定量的に追跡することに成功したことを報告する。さらに、リチウムイオンの移動機構と移動領域についても言及した。リチウムイオンの輸送を追跡することで、使用した固体電解質中のリチウムイオンの移動領域を決定することができたと述べている。これらの結果から、全固体電池の開発は、電池内のリチウムイオンの輸送を把握しながら、さらなる進化を遂げることができる段階に入ったと言える。その結果、全固体電池の研究開発はさらに加速されることになるだろう。

An all-solid-state battery is a secondary battery that is charged and discharged by the transport of lithium ions between positive and negative electrodes. To fully realize the significant benefits of this battery technology, for example, higher energy densities, faster charging times, safer operation, it will be essential to understand how lithium ions are transported and distributed in the battery during operation. However, as the third lightest element, methods for quantitatively analyzing lithium during operation of an all-solid-state device are limited such that real time tracking of lithium transport has not yet been demonstrated. Here, we report that the transport of lithium ions in an all-solid-state half-cell was quantitatively tracked in near real time by utilizing a thermal neutron-induced nuclear reaction, utilizing lithium-6 as a tracer, and utilizing a high-intensity thermal neutron source. Furthermore, it is also mentioned that the migration mechanism and migration region of lithium ions in the solid electrolyte used could be determined by tracking the transport of lithium ions. From these results, it can be said that the development of all-solid-state batteries has entered a phase where further advances could be carried out while understanding the transport of lithium ions in the batteries. As a result, the research and development of all-solid-state batteries would be further accelerated.