新たなブレークスルー：3Dプリント技術により、高性能、超低スタック圧力の硫化物ベースの全固体リチウム金属ソフトパック電池の大規模生産が可能に

固体リチウム金属電池（ASSLMB）は、その高いエネルギー密度と安全性により、電池分野における「有望株」となり、各界から大きな注目を集めています。しかし、リチウムデンドライトの急速な成長、クーロン効率の低さ、レート性能の悪さ、サイクル安定性の悪さなどの問題が、その商業化を著しく妨げています。

新しい多機能複合硫化物電解質（M-CSE）

High Energy Digital Manufacturing の顧客である中国科学院物理研究所の Wu Fan 研究員のチームは、自ら開発した新しい多機能複合硫化物電解質 (M-CSE) と High Energy Digital Manufacturing のバッテリー 3D 印刷装置を使用して、硫化物ベースの全固体バッテリーに新たなブレークスルーをもたらしました。この電解質をベースにした ASSLMB は、面積容量 10 mAh cm-2、エネルギー密度 219 Wh kg-1、電流密度 3.76 mAcm-2 など、多くの優れた特性を示します。容量保持率は、0.5C のレートで 500 サイクル後でも 95.04% と高いままです。

それだけでなく、高エネルギーデジタル全固体電池3Dプリント設備を統合した統合製造プロセスのおかげで、超低圧硫化物全固体電池のバッチ製造が実現しました。そのうち、スウェージロック電池の積層圧力は約30MPaですが、ソフトパック電池の積層圧力はわずか2MPaです。バッテリーは、最初の放電サイクルで比容量 128.92 mAh g-1 とエネルギー密度 219 Wh kg-1 を達成しました。さらに魅力的なのは、M-CSE 界面層がシンプルでスケーラブルな製造プロセスを備えた低コストの複合材料で構成されており、大規模生産の強固な基盤が築かれることです。

呉凡氏のチームの研究結果の要点は以下のとおりです。
M-CSE 層は、高い化学的安定性と優れた界面親和性の利点を継承しています。これにより、電極材料が腐食性の副反応から保護されるだけでなく、リチウムイオン伝導のためのスムーズな経路も提供されます。さらに、局所的な界面不動態化の発生により、一方では体積変化による応力が緩和され、界面の密閉性と安定性が維持され、他方では固体電解質の分解がさらに抑制され、リチウムデンドライトの成長が効果的に遅くなります。さらに、M-CSE 層は均一な電界分布を確保し、リチウムの安定した均一な堆積を導きます。 M-CSE 層は、物理的分離と化学的バランスの二重の調節メカニズムを通じて、リチウムデンドライトの成長を効果的に抑制し、固体電解質層への浸透を防ぎます。

呉凡教授の研究は、硫化物系固体電解質の高い適応性を探求し、異なる電解質タイプの独自の利点を組み合わせ、高度な設計と3Dプリント技術を組み合わせることで新しいソリューションを提供し、全固体電池の商業化ニーズを満たす次世代固体電解質材料の開発に新たな可能性を切り開きます。このシンプルで効率的な 3D プリント製造方法は、全固体電池の大規模生産と応用のための強固な基盤を築き、将来の電池技術の発展にとって重要な参考資料となります。

図 1. a) 不安定な界面を持つセル。界面層の成長によって大きな過電圧が発生します。 b) リチウムデンドライトの浸透が発生する SEI インターフェースを備えたバッテリー。 c) M-CSEを含むバッテリー。

図 2. a-d) 異なる倍率での M-CSE の断面走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像とエネルギー分散型 X 線分光法 (EDX) 画像。 e、f）40時間放置後のLi|LiSiSnPSBrO|LiおよびLi|LPSCILi対称セルのSEM画像。 g、h) 異なる倍率での Li|M-CSE-LPSCI-M-CSE|Li 対称電池の SEM 画像。

図3. ae) 異なる電解質構造を持つ対称リチウム金属電池の臨界電流密度 (CCD)。 f) 電流密度1.5mAcm-2でのサイクル安定性。

図 4. さまざまな ASSLMB 構成のレート性能 (0.1-5C) と対応する充放電曲線。具体的な構造は次のとおりです: a) 単一電解質、b) さまざまな比率の MCSE、c) M-CSE を追加した後のセル、dg) M-CSE を追加した後の充放電曲線。

図5. a-c) 0.5Cレートでの放電容量とクーロン効率（表面容量1mAh cm-2）、d-f) 異なるサイクル数での対応する充電曲線と放電曲線。

図6. a) 異なる面積容量におけるLCO|LPSCI-M-CSE|Li全固体電池の充電および放電曲線。 b) 辺の長さが 2 cm の LCO|LPSCI-M-CSE|Li 角型ソフトパック電池の充電および放電曲線。 ce) 面積容量5mAhcm-2のLCO|LPSCI-MCSE|Li全固体電池の充放電曲線、レート性能、サイクル性能。 f) 異なるサイクル時間後の LCO|LPSCI-M-CSE|Li 全固体電池のナイキスト線図。

全固体電池のインテリジェント製造技術のリーダーとして、高能数値製造（西安）技術有限公司は「固体電池生産ライン」と「乾式電極生産ライン」という2つの中核分野に注力し、研究開発から量産まで、新エネルギー企業にインテリジェントな設備とプロセス全体のソリューションを提供しています。

現在、高能数字製造は、固体電池パイロットライン構築、乾式電極標準化生産ライン構築、固体電池製造プロセスシステム最適化などのコアソリューションを含め、固体電池と乾式電極のカスタマイズ生産ライン設計と設備統合を幅広く顧客に提供してきました。また、自社開発のカスタマイズプロセスソリューションとAIロボットを通じて、新エネルギー企業に固体電池と乾式電極の実験室研究開発から量産までフルサイクルのサービスを提供し、顧客が固体電池と乾式電極の産業化とインテリジェント製造を実現できるようにしています。

出典: ハイ・エナジー・デジタル

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