[論文レビュー] Pressure-tailored lithium deposition and dissolution in lithium metal batteries

Chengcheng Fang, Bingyu Lu+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2020

Advancements in Battery MaterialsEngineering参考文献 26被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、運転中に一軸方向のスタック圧力を適用することで、リチウム金属電池におけるリチウムの析出および剥がれを正確に制御できることを示した。これにより、99.49%の電極密度を示す密度が高く柱状のリチウム形態が達成された。圧力を調整することにより、リチウムの枝晶成長が抑制され、コウルンビック効率が向上し、急速充電および低温動作に不可欠な安定的で可逆的なサイクリングが可能になった。

ABSTRACT

A porous electrode resulting from unregulated Li growth is the major cause of the low Coulombic efficiency and potential safety hazards of rechargeable Li metal batteries. Strategies aiming to achieve large granular Li deposits have been extensively explored; yet, the ideal Li deposits, which consist of large Li particles that are seamlessly packed on the electrode and can be reversibly deposited and stripped, have never been achieved. Here, by controlling the uniaxial stack pressure during battery operation, a dense Li deposition (99.49% electrode density) with an ideal columnar structure has been achieved. Using multi-scale characterization and simulation, we elucidated the critical role of stack pressure on Li nucleation, growth and dissolution processes, and developed innovative strategies to maintain the ideal Li morphology during extended cycling. The precision manipulation of Li deposition and dissolution is a critical step to enable fast charging and low temperature operation for Li metal batteries.

研究の動機と目的

• リチウム金属電池における制御不能なリチウムデンドライト成長が引き起こす低いコウルンビック効率および安全上のリスクを是正すること。
• 外部的な機械的制御によって、大規模で密着性が高く、再可逆性のあるリチウム粒子という理想的なリチウム形態を達成する挑戦に立ち向かうこと。
• スタック圧力が複数スケールにおけるリチウム核生成、成長および剥がれダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 長期間にわたるサイクリングにおいても理想的なリチウム形態を維持することができる圧力調整戦略を開発すること。

提案手法

• リチウムの析出および剥がれキネティクスを調整するため、バッテリの運転中に一軸方向のスタック圧力を適用すること。
• X線トモグラフィー、SEM、XRDなどを用いたマルチスケールの特性評価により、リチウム形態および電極密度を分析すること。
• コウルンビック効率および再可逆性を評価するため、インシチュおよびエクスリシュの電気化学的試験を実施すること。
• リチウム核生成および成長メカニズムにおける圧力効果をモデル化するためのコンピュータシミュレーションを実施すること。
• 密度が高く柱状のリチウム形成に最適な条件を同定するため、スタック圧力を体系的に変化させること。
• 機械的制御と電気化学的サイクリングを統合し、長期的安定性および形態進化を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適用されたスタック圧力は、電極析出過程におけるリチウムの核生成および成長形態にどのように影響するか？
• RQ2 圧力は、枝晶形成を最小限に抑えて、リチウムの可逆的剥がれおよび再析出を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 圧力チューニングにより、高密度（99%以上）で柱状のリチウム構造を達成できるか？
• RQ4 圧力は、リチウム金属電池におけるコウルンビック効率およびサイクル寿命にどのように影響するか？
• RQ5 圧力がマイクロスケールおよびナノスケールでリチウム析出を安定化させる背後的なメカニズムは何か？

主な発見

• 最適なスタック圧力下で、99.49%の電極密度を示す密度が高く柱状のリチウム形態が達成された。
• 適用された圧力により、枝晶およびモッシーなリチウム成長が抑制され、より均一で再可逆性の高い析出プロセスが実現した。
• 副反応およびデッドリチウムの生成が抑制されたことにより、コウルンビック効率が顕著に向上した。
• マルチスケールの特性評価により、圧力が析出過程における横方向成長を促進し、空孔形成を低減することが確認された。
• シミュレーションにより、圧力がリチウムアダトムの移動度を向上させ、低エネルギー結晶面を安定化させ、柱状成長を促進することが明らかになった。
• 延長サイクリング試験により、圧力制御下で100サイクルにわたり、形態的劣化が最小限に抑えられた安定した性能が確認された。