固体電解質のアプリケーションの利点

固体電解質電池技術は今日まで発展してきたため、固体電解質は将来のリチウム電池電解質の開発のトレンドです。技術的な観点から、固体電解質は、酸化物電解質、硫化物電解質、有機高分子電解質、およびLiPON電解質に分けることができます。比較的成熟していると言えますが、ボトルネックも発生しています。特に新エネルギーの分野では、新世代のテクノロジーの誕生が急務です。ソリッドステートバッテリーは、次世代パワーバッテリー技術の中で最も魅力的なものになると期待されています。全固体電池は技術的成熟度が比較的高いだけでなく、多くの国内および海外のリチウムイオン電池会社もまた、全固体電池技術を重要な次世代技術の蓄えと見なしています。

固体電解質材料の導電率が比較的低いため、固体電池技術の初期の開発では、研究開発の焦点は主に固体電解質の導電率を改善することでした。そのため、イオン伝導性の高い硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が注目されている。

全固体リチウムイオンバッテリーは、従来の有機液体電解質の代わりに固体電解質を使用します。これにより、バッテリーの安全性の問題をうまく解決でき、電気自動車や大規模エネルギー貯蔵用の理想的な化学電源です。重要なのは、高い室温伝導性と電気化学的安定性を備えた固体電解質、およびすべての固体リチウムイオン電池に適した高エネルギー電極材料を準備し、電極/固体電解質界面の互換性を改善することです。

固体リチウム電池は、リチウム電池をベースに開発されています。従来のリチウム電池と比較して、正極と負極間の導電性材料として主に液体やゲルを使用しないため、自動車の安全性と高温に耐える能力が大幅に向上します。 。高い安全性、高いエネルギー密度、長いサイクル寿命、広い動作温度範囲といった利点があり、その中核となるのが固体電解質です。

酸化物固体電解質は、材料の構造によって結晶質とガラス質（アモルファス）に分けることができます。結晶性電解質には、ペロブスカイト型、NASICON型、LISICON型、ガーネット型などがあります。ガラス状酸化物電解質研究用ホットスポットは、薄膜電池に使用されるLiPON型電解質です。

酸化物結晶性固体電解質は、化学的安定性が高く、大気中に安定して存在できるため、全固体電池の大量生産に有利です。研究の焦点は、室温のイオン伝導率と電極との互換性を改善することです。現在、導電率を向上させる方法は主に元素置換と異種元素ドーピングであり、電極との相性もその用途を制限する重要な課題です。

最も典型的な硫化物結晶固体電解質は、チオリシコンです。これは、東京工業大学の神野教授によってLi2S-GeS2-P2Sシステムで初めて発見されました。化学組成はLi4-xGe1-xPxS4であり、室温イオン伝導率は2.2×10と高い。 -3S / cm（x=0.75）、および電子伝導率は無視できます。 thio-LISICONの一般的な化学式はLi4-xGe1-xPxS4（A=Ge、Siなど、B=P、Al、Znなど）です。

硫化物ガラス固体電解質は通常、P2S5、SiS2、B2S3と他のネットワーク形成剤およびネットワーク修飾剤Li2Sで構成されます。システムには主にLi2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3が含まれます。この組成物は、幅広い変動範囲、高い室温イオン伝導率、高い熱安定性、優れた安全性能、および広い電気化学的安定性ウィンドウ（最大5V）を備えています。高出力、高温、低温のソリッドステートバッテリーに優れた利点があり、ソリッドステートバッテリーの電解質材料に大きな可能性があります。

ポリマー固体電解質は、軽量、粘弾性が高く、優れているため、ポリマーマトリックス（ポリエステル、ポリメラーゼ、ポリアミンなど）とリチウム塩（LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4など）で構成されています。機械的処理性能やその他の特性が広く注目されています。

一般的なSPEには、ポリエチレンオキサイド（PEO）、ポリアクリロニトリル（PAN）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリメチルメタクリレート（PMMA）、ポリプロピレンオキサイド（PPO）、ポリ塩化ビニリデン（PVDC）、および単一イオンポリマー電解質システムがあります。

現在、主流のSPEマトリックスは、主に金属リチウムに対するPEOの安定性とリチウム塩をよりよく解離するその能力により、最初に提案されたPEOとその誘導体です。

LiPON電解質は、米国のオークリッジ国立研究所（ORNL）によって製造されています。酸窒化リチウムリン（LiPON）電解質膜は、高周波マグネトロンスパッタリングデバイスを使用して高純度のLi3P04ターゲットを高純度の窒素雰囲気でスパッタリングすることで作成しました。

材料の優れた総合性能、室温イオン伝導率が2.3×10-6S / cm、電気化学ウィンドウが5.5V（http://vs.Li/Li+）、熱安定性が良いことがわかります、およびLiCoO2、LiMn2O4などの正極と、リチウム金属やリチウム合金などの負極は、相溶性が良好です。 LiPONフィルムのイオン伝導率は、アモルファス構造とフィルム材料のN含有量に依存します。 Ｎ含有量の増加は、イオン伝導性を改善することができる。