エネルギー科学：耐久性リチウム金属電池向けのLi₂ZrF₆系電解質

リチウム（Li）金属電池（LMB）は、高エネルギー密度の充電式電池に有望である。しかし、高活性Liと非水電解質の反応によって形成されるLiデンドライトは、安全上の懸念と急速な容量低下につながる。高信頼性固体電解質界面相の開発は、高レートで長寿命のLMBの実現に不可欠であるが、依然として技術的に困難である。今回我々は、市販のLiPF₆を含んだLMB用炭酸塩電解質に過剰のm-Li₂ZrF₆（単斜晶）ナノ粒子を加えると、印加電圧によって駆動される電解質への豊富なZrF₆²⁻イオン放出が促進され、t-Li₂ZrF₆（三方晶）に変換されて、高Liイオン伝導率を示す安定な固体電解質界面相がin situで形成されることを実証する。計算研究と低温透過型電子顕微鏡研究から、t-Li₂ZrF₆リッチな固体–電解質界面相のin situ形成によって、Liイオン移動が著しく促進され、Liデンドライトの成長が抑制されることが明らかになった。その結果、LiFePO₄正極（面積負荷1.8/2.2 mAh cm⁻²）と三次元Li–炭素負極（Liの厚さ50 μm）とLi₂ZrF₆系電解質を用いて組み立てたLMBは、3000サイクル（1C/2Cレート）後に大容量（80.0％を超える）を保持し、サイクル安定性の大きな向上を示した。この成果は、極めて優れた性能であることを意味しており、従って、実用的な高レート条件下で高耐久LMB向け高信頼性Li₂ZrF₆系電解質がもたらされる。

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