エネルギー材料：全固体リチウム電池の界面設計

高エネルギー全固体リチウム金属電池を低い拘束圧で動作させることは、LiアノードではLiデンドライトが成長し、カソードでは界面抵抗が高いため、困難である。今回我々は、Li/Li₆PS₅Cl界面におけるMg₁₆Bi₈₄中間層を設計してLiデンドライトの成長を抑制し、LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）カソード上のFリッチ中間層を設計して界面抵抗を低減した。Li析出–溶解サイクル中に、MgがMg₁₆Bi₈₄中間層からLiアノードに移動することで、Mg₁₆Bi₈₄は多機能LiMgS_x–Li₃Bi–LiMg構造へと変換され、この構造の各層が、それぞれ固体電解質中間相、多孔性Li₃Biサブ層、（多孔性Li₃BiをLiアノード上に接着する）固体バインダーとして機能する。Li₃Biサブ層はイオン伝導率/電子伝導率比が高いため、Liは、Liアノード表面のみに析出して多孔性Li₃Biサブ層内に成長することが可能になり、圧力（応力）変化が改善される。Fリッチ中間層を備えたNMC811は、Fアニオンが4.3 Vという高電位でNMC811内へと電気化学的に移動するため、FドープNMC811カソードに変換されて、カソードを安定化させる。今回のアノード中間層とカソード中間層の設計によって、NMC811/Li₆PS₅Cl/Liセルが2.55 mA cm⁻²で7.2 mAh cm⁻²の容量を、また、LiNiO₂/Li₆PS₅Cl/Liセルが2.5 MPaという低い拘束圧において310 Wh kg⁻¹のセルレベルエネルギー密度で11.1 mAh cm⁻²の容量を実現できた。今回のMg₁₆Bi₈₄アノード中間層とFリッチカソード中間層によって、全固体リチウム金属電池の低拘束圧での高エネルギーおよび高速充電能力を実現する、一般的な解決策が得られる。

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