东京工业大学材料科学与工程学院教授 Taro Hitosugi、日本工业大学、米乐m6官方网站 Masaru Shiraki 教授材料测量标准研究部首席研究员Tetsuro Shirasawa 领导的研究小组在全固态电池中实现了极低的界面电阻，并发现其关键在于电极表面原子的规则排列。这一结果为全固态电池的发展提供了指导，是迈向商业化的重要一步。
固态电池的发展正在迅速进展。固体电解质和电极的材料开发正在积极进行，但固体电解质和电极之间的界面处的锂离子电导率低（界面电阻高）已成为实际使用的主要问题。即使开发出具有高锂离子电导率的固体电解质和电极材料，如果这两种固体材料接触的界面处的电阻很高，也无法开发出可以高速充放电的良好电池。因此，降低界面阻力非常重要。然而，高界面阻力的原因仍然未知，也没有明确的降低界面阻力的指南。
在这项研究中，我们将利用薄膜制造和真空技术来开发正极材料钴酸锂（LiCoO）。2)和固体电解质磷酸锂(Li3邮政信箱4)创建了一个界面，并使用可以非破坏性测量的表面X射线衍射精确研究了界面结构。结果表明，在表现出高电阻的界面处，晶体的周期性是无序的，而在表现出低电阻的界面处，原子是规则排列的。
研究成果于11月22日（美国时间）发表在美国化学会期刊上。
ACS 应用材料和界面''将以网络版形式发布。
锂离子电池很贵能量密度（第 2 学期）和周期特征IgA（术语3）的二次电池。然而，LiCoO2的锂离子电池的理论容量（357Wh/kg=重量能量密度）作为电极]尚未接近下一代电动汽车行驶500公里所需的容量（500 Wh/kg），因此人们对开发更高性能的创新二次电池抱有很高的期望。
候选者是全固态电池。电池由三个主要部分组成：正极、负极和电解质。由于锂离子电池采用易燃液体（电解质）作为电解质，因此预计使用更安全的固体电解质的全固态电池将尽早投入实用，用于电动汽车的大型蓄电池。
然而，全固态电池存在固体电解质和电极之间的界面处的高电阻（界面电阻）的问题。如果界面电阻较高，使用大电流时能量损失较大，难以高速充放电。因此，阐明全固态电池界面电阻高的原因并获得降低界面电阻的指导方针是一项紧迫的任务。
研究小组利用薄膜制造和真空技术来制造LiCoO2外延薄膜创建了一种理想的全固态电池（第 4 期）（图 1）。通过评估固体电解质和正极之间界面的离子电导率，我们发现界面电阻根据界面制备条件而变化，良好的界面电阻为55Ωcm2的值极低该值是之前报道的全固态电池值的1/40，是使用液体电解质时的值的1/6。如此低的电阻接口可以实现快速充电。
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| 图1。本研究中制造的全固态电池的示意图(a)和照片(b)。金（Au）为集流体，LiCoO为正极2作为固体电解质3订单4和Li用作负极。基板上的铝2O3使用单晶衬底。 |
为了探索所获得的低电阻界面的状态，我们通过使用同步辐射的表面X射线衍射精确研究了固体电解质和正极之间的界面结构（图2）。因此，低电阻界面 (55 Ωcm2)具有结晶性，原子在界面附近以及薄膜内部规则排列。另一方面，高电阻界面（180 Ωcm2)，发现虽然原子最初排列规则，但当界面形成时，电极表面的原子排列变得无序。
本研究中产生的 LiCoO2由于外延薄膜的晶体取向，锂离子只能在平行于薄膜的面内方向移动，垂直于薄膜形成的晶界作为锂离子进入薄膜的路径（图3）。这表明，在高电阻界面处，由于电极表面上无序的原子排列，锂离子在电极表面上和进入晶界的扩散受到抑制。
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| 图2通过表面X射线衍射测定的电极-电解质界面处的电子密度。清晰的电子密度峰表明原子排列是规则的。距界面 0 Å 的深度是固体电解质/电极界面。在低电阻界面（红色），原子在界面附近周期性排列，但在高电阻界面（蓝色），界面附近原子排列是无序的。 |
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| 图 3 锂离子在低电阻界面 (a) 和高电阻界面 (b) 处的行为差异。锂离子（Li+)在固体电解质和LiCoO中扩散2它示意性地显示了它是如何进入的。锂离子是LiCoO2COO2它到达层，然后横向扩散，穿过晶界，进入晶体内部。该结果表明CoO2可以理解，层内原子排列的无序抑制了Li离子的扩散，导致界面电阻增加。 |
这一结果揭示了全固态电池的实际应用之路。通过优化固体电解质和电极形成工艺，我们能够获得极低的界面电阻。实现低界面电阻的关键是通过精确的结构控制来抑制界面形成过程中出现的结构无序，并保持界面上规则的原子排列。
预计本研究中获得的知识将用于改进全固态电池的制造工艺，并促进高性能全固态电池的发展。
这项研究得到了新能源和产业技术综合开发机构 (NEDO) 锂离子电池应用和实用先进技术开发项目、丰田汽车公司和日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进项目的支持。 CREST：“基于超空间控制的具有先进性能的创新功能材料的创造”，文部科学省私立大学研究品牌项目：“作为下一代电源的全固态电池技术的开发和应用”，JST战略创意研究促进项目：个人研究（PRESTO）“能源有效利用和相界面”获得科学研究资助金（26105008， 25390072、26106502、26108702、26246022、26610092、16H03864）。
已出版的杂志：ACS 应用材料和界面
论文标题：固体电解质和电极界面处的原子有序结构降低了界面电阻
作者：Susumu Shiraki、Tetsuroh Shirasawa、Tohru Suzuki、Hideyuki Kawasoko、Ryota Shimizu 和 Taro Hitosugi
DOI：101021/acsami8b08926