電池：ガーネット型固体電解質における機械的に駆動されるLiデンドライトの貫入

全固体電池は、可燃性の液体電解質とグラファイトアノードを、固体電解質とリチウム金属に置き換えることで、安全性とエネルギー密度を向上させると期待されている。しかし、軟らかいリチウムデンドライトが硬いセラミック電解質を貫入することが、いまだに全固体リチウム金属電池実現の大きな障害になっている。機械的に軟らかいリチウムデンドライトが硬いセラミック電解質を破壊する機構は、デンドライトの先端においてナノスケールのリチウム分布とその微細構造を評価することが難しいため、依然として議論の的となっている。今回我々は、マルチスケールクライオ電子顕微鏡法と微小機械的破壊モデルを用いて、ガーネット型電解質中でリチウムデンドライトによって駆動される破壊過程を調べた。我々は、リチウムデンドライトが、ナノスケールの亀裂先端を完全に満たし、マイクロメートルスケールの亀裂へと拡大していく様子を直接可視化した。リチウムデンドライトにおける結晶格子の回転と塑性が制限されていることは、析出したリチウムが大きな静水圧応力を発生させ、これが固体電解質に引っ張り応力を誘起して、粒界破壊と粒内破壊の両方を駆動することを示している。対照的に、リチウムデンドライト先端より先の領域には、リチウムやリチウム金属核の測定可能な富化は見られなかった。ガーネット型固体電解質における機械的に駆動されるこのリチウム貫入は、電解質中に幾何学的に設計した空隙を設けることで進行方向を転換でき、ひいては短絡を軽減できる。今回の知見は、粒界強化と欠陥エンジニアリングが、デンドライトに耐える固体電解質を設計するための効果的な戦略になることを示唆している。

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