電池：固体電池におけるCobleクリープによる金属リチウムの析出と剥離
Nature 578, 7794 doi: 10.1038/s41586-020-1972-y
固体リチウム金属電池は、リチウムの内部で電気化学的に生じる機械的応力に耐える必要があり、この応力は、過電圧135 mVで1 GPaに達することがある。移動する腐食性リチウム金属と物理的に接触しながら固体構造の機械的安定性と電気化学的安定性を維持することは、厳しい要求である。我々は、イオン電子混合伝導体（MIEC）からなる多数の平行中空チューブ内に保持された金属リチウムまたは金属ナトリウムの析出と剥離を、in situ透過電子顕微鏡法を用いて調べた。本論文では、これらのアルカリ金属が、MIEC/金属相境界に沿った主に拡散性のCobleクリープによって単結晶としてチューブから成長したりチューブ内に戻ったりし得ることを示す。固体電解質と違って、多くのMIECはリチウムと接触しても電気化学的に安定である（すなわち平衡相図上で金属リチウムまで直接タイラインが存在する）ため、応力がこのCobleクリープ機構によって効果的に解放され、電子的接触とイオン的接触が維持され、固体電解質界面堆積物が排除されて、100サイクルの間10 μmの距離にわたってリチウムの可逆的な析出/剥離が可能になる。約1010本の円筒状MIEC/固体電解質/LiFePO4で構成されるセンチメートル幅のフルセルは、1 gのLiFePO4当たり約164 mA hという高い容量を示し、1倍過剰のリチウムから開始して50サイクルを超えてもほとんど劣化を示さなかった。モデリングからは、この設計が幅約100 nm、奥行10～100 μmのチャネルを持つMIECの材料選択に対して鈍感であることが示された。MIECチャネル内の金属リチウムの挙動は、この構成を用いることによって固体リチウム金属電池における金属–電解質界面の化学的・機械的安定性の問題を克服できることを示唆している。
