材料科学：リチウム金属電池における不活性リチウムの定量化

リチウム金属アノードは理論容量が大きい（3860 mAh g⁻¹）が、そうしたアノードを用いて作られた充電式電池は、デンドライトが成長し、クーロン効率（充電電荷量に対する放電電荷量の割合）が低いため、商業利用が阻まれている。固体電解質界面に（電気）化学的に形成されたLi⁺化合物と電気的に孤立した未反応金属Li⁰からなる不活性（「デッド」）リチウムの形成は、容量損失と安全上の問題を引き起こす。固体電解質界面の成分中のLi⁺と未反応金属Li⁰を定量的に区別することは、有効な診断ツールがないためこれまで不可能だった。光学顕微鏡法、in situ環境制御型透過電子顕微鏡法、X線マイクロトモグラフィー、磁気共鳴画像法によって形態学的な全体像が得られるものの、化学的情報はほとんど得られない。核磁気共鳴法、X線光電子分光法、クライオ（極低温）透過電子顕微鏡法では、固体電解質界面中のLi⁺と金属Li⁰とを区別できるが、検出範囲は表面か局所領域に限られる。今回我々は、総不活性リチウム量に対する未反応金属Li⁰の寄与を定量化するための滴定ガスクロマトグラフィー分析法を確立した。我々は、固体電解質界面に（電気）化学的に形成されたLi⁺ではなく、未反応金属Li⁰が、主要な不活性リチウム源および容量損失源であることを特定した。我々はまた、未反応金属Li⁰の含有量と、クライオ電子顕微鏡法（走査型と透過型の両方）による局所的なマイクロ構造やナノ構造の観察結果を組み合わせることによって、さまざまなタイプの電解質における不活性リチウムの形成機構を明らかにし、リチウム金属アノードのプレーティング時とストリッピング時（それぞれ、フルセルでの充電過程と放電過程）における低いクーロン効率の根本的原因を特定した。我々は、次世代型の高エネルギー電池にリチウム金属アノードが使えるよう、リチウムのプレーティングとストリッピングの効率を高める戦略を提案する。

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