電気化学的に安定した均一なガラス状電解質が室温で形成され、

Nature Communications volume 13、記事番号: 2854 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

全固体ナトリウム電池 (ASSSB) は、グリッド規模のエネルギー貯蔵の有望な候補です。 しかし、Na 金属に対して電気化学的安定性を備えた、低コストで製造が簡単な固体電解質 (SE) が存在しないことも一因として、まだ商業化された ASSSB はありません。 この研究では、すべての Na イオン伝導性硫化物系 SE の中で最も高い臨界電流密度を示すだけでなく、高性能を可能にする酸硫化物ガラス SE ファミリー (Na3PS4−xOx、0 < x ≤ 0.60) を報告します。常温のナトリウム硫黄電池。 架橋酸素ユニットを形成することにより、Na3PS4−xOx SE は室温で圧力誘起焼結を受け、その結果、堅牢な機械的特性を備えた完全に均質なガラス構造が得られます。 さらに、Na|SE 界面における自己不動態化固体電解質界面は、界面の安定化と可逆的な Na めっきおよび剥離にとって重要です。 ここで紹介する新しい構造および組成設計戦略は、安全、低コスト、エネルギー密度が高く、長寿命の ASSSB の開発における新しいパラダイムを提供します。

高い安全性と比エネルギーを備えた低コストのバッテリーは、グリッド規模のエネルギー貯蔵としてますます需要が高まっています1。 不燃性固体電解質 (SE) と地球上に豊富に存在するナトリウム金属負極を使用する全固体ナトリウム電池 (ASSSB) は、最も有望な候補の 1 つであるため、世界的な研究の注目を集めています 2,3,4,5。 これまでのところ、グリッド規模のエネルギー貯蔵用に商業化された Na 金属アノード電池の唯一の成功例は、よく知られた高温ナトリウム硫黄電池 6 です。 300 °C を超える高い動作温度では、Na アノードと S カソードの両方が液体であるため、運用コストが大幅に増加し、薄いセラミック SE7 の壊滅的な故障によって引き起こされる火災や爆発の可能性により安全性が低下します。 対照的に、固体 Na 金属アノードを使用した常温 ASSSB は、コストが低いだけでなく、T < 100 ℃ という低温で動作するため、より幅広い用途でより安全に使用できるため、非常に望ましいものです。応用範囲。 しかし、Na 金属アノードが固体状態になるように操作する場合、SE は Na との直接的な化学反応および電気化学反応に耐性がなければならないだけでなく、固体金属ナトリウムのデンドライトの貫通にも耐性がなければなりません。 したがって、ASSSB 用の新しい SE の探索では、低コストと製造の容易さという厳しい要件を同時に満たさなければなりませんが、同時に厳しい機械的および化学的安定性の要件も満たさなければなりません。 これまでのところ、これら 4 つの要件すべてを同時に満たすことができる単一のナトリウム SE は存在しないため、固体の Na 金属を循環させながら安定した SE の開発は依然として大きな課題となっています。

無機SEは、セラミック、ガラスセラミック、ガラスの3つのカテゴリに分類できます。 β''-Al2O3 や NASICON 型酸化物などのセラミック SE は、Na 金属に対して優れた化学的安定性を示します。 それにもかかわらず、その高い Na イオン伝導率は、理論密度に近い密度まで加工され、1500 ℃を超える長時間の焼結温度が必要な場合にのみ達成され、その硬くて粗い表面のために Na 金属との濡れ性が劣ります 8,9 。 さらに、Na 金属が明確な粒界に沿って優先的に伝播し、最終的に電解質を短絡させる樹枝状結晶を形成することが観察されています 10,11 (図 1a)。 これらのセラミック酸化物 SE は 200 GPa を超える機械弾性率を持ち、Na デンドライトに耐えるのに十分以上の弾性率とせん断弾性率を備えているため、これは SE の分野で論争の源となっています。 ガラスセラミック SE（例、熱処理された Na3PS4、HT-Na3PS4 と簡略化）および他の硫化物 SE は、ある程度の量のガラス相（5 ～ 50 vol%)、樹状突起の形成と成長を軽減することができます。 しかし、これらのSEがNa金属と接触すると、不安定な固体電解質界面（SEI）層に分解されることが判明しました12、13、14、15（図1b）。 これらの理由により、Na-Sn などの Na 合金が陽極としてよく使用されます。 これらの合金はアノードの電圧を上昇させ、エネルギー密度を低下させます。