相間設計された全薄膜アーキテクチャにより、LiLaZrO固体電解質/LiCoO正極界面での高速電荷移動を実現した

Fast charge transfer across the LiLaZrO solid electrolyte / LiCoO cathode interface enabled by an interphase-engineered all-thin-film architecture.

• Jordi Sastre
• Xubin Chen
• Abdessalem Aribia
• Ayodhya N Tiwari
• Yaroslav E Romanyuk

抄録

リチウムガーネットLiLaZrO（LLZO）は、高いイオン伝導性と金属リチウムや高電位正極に対する電気化学的安定性を有していることから、次世代固体電池用の固体電解質として研究が進められています。LLZO/リチウム金属負極の界面は、これまでにも十分な検討が行われ、ほとんど無視できるほどの界面抵抗を実現してきましたが、LLZO/正極の界面は、セラミックの接合に必要な高温焼結のため、依然として高い界面抵抗を有していました。本研究では、LLZO固体電解質/LiCoO(LCO)正極界面を全薄膜モデルシステムで研究した。このアーキテクチャにより、in-situ及びex-situ特性評価のための界面へのアクセスが容易になり、高温共焼結下での劣化プロセスを特定し、界面の改良などの解決策を試験することが可能になります。界面にin-situリチオ化NbO拡散障壁を導入することで、LLZO/LCOの電荷移動抵抗を約50Ω cmまで低下させることができました。界面抵抗が低いことと、LLZO薄膜電解質を介した高いコンダクタンスが組み合わされているため、バルク系とは異なり、高い充放電速度での電荷移動を調べることができます。1℃では約140 mAh gの放電容量が測定され、10℃では理論容量の60%が100サイクル以上のサイクル寿命で維持されました。界面調査におけるこのアーキテクチャの役割に加えて、本研究は、より高い電力密度を持つ薄膜固体電池の開発におけるマイルストーンを構成しています。

Lithium garnet LiLaZrO (LLZO) is being investigated as a potential solid electrolyte for next-generation solid-state batteries, owing to its high ionic conductivity and electrochemical stability against metallic lithium and high potential cathodes. While the LLZO / Li metal anode interface has been thoroughly investigated to achieve almost negligible interface resistances, the LLZO / cathode interface still suffers from high interfacial resistances mainly due to the high-temperature sintering required for proper ceramic bonding. In this work the LLZO solid electrolyte / LiCoO (LCO) cathode interface is investigated in an all-thin-film model system. This architecture provides an easy access to the interface for in-situ and ex-situ characterization, allowing to identify the degradation processes taking place under high temperature co-sintering and to test solutions such as interface modifications. Introducing an in-situ lithiated NbO diffusion barrier at the interface we were able to lower the LLZO/LCO charge transfer resistance to about 50 Ω cm, a three-fold reduction with respect to previously reported values. The low interfacial resistance combined with the high conductance through the LLZO thin film electrolyte allows to investigate the charge transfer at high charge-discharge rates, unlike in bulk systems. At 1 C, discharge capacities of about 140 mAh g were measured and at 10 C, 60% of the theoretical capacity was retained with a cycle life over 100 cycles. Besides the role of this architecture in the interface investigation, this work also constitutes a milestone in the development of thin-film solid-state batteries with higher power densities.