名古屋大學未來材料和系統研究所與松下公司及日本精密陶瓷中心（簡稱「JFCC」）合作，利用穿透電子顯微術法和機器學習，開發出了可在奈米水平即時觀察塊狀和薄膜狀全固態電池内部的鋰離子運動的技術。
該技術可使鋰離子的行程阻力實施視覺化。觀察發現，受正極物質内部的晶界的影響，鋰離子透過複雜的擴散程序進行充放電。由此明確了高性能全固態電池的設計指南，能爲今後的全固態電池開發做出巨大貢獻。
圖1：塊狀全固態電池内部的鋰離子即時觀察。（a）掃描穿透電子顯微術影像與高速充電中的鋰分佈的變化。黑色虛線和白色虛線表示晶界。（b）高速充電後的鋰分佈緩和，（c）低速充電後的鋰分佈。
1.研究背景
全固態鋰離子電池有望同時實施高安全和高能量密度，作爲新一代二次電池候選之一，全球都在積極推進相關研究開發。不過，全固態電池内部的鋰離子的傳導阻力較大，在大電流工作中必須克服這個課題。
要想解決該課題，就要明確全固態電池的充放電機制和特性劣化因素，並回饋到材料和器件設計中。尤其是要了解鋰離子在電池内部是如何行程的，這對提高電池性能極爲重要。
全固態鋰離子電池有用於IoT設備等的小型薄膜狀全固態電池和用於車載等用途的大容量塊狀全固態電池，2018年9月，名古屋大學、松下和JFCC共同開發了使薄膜狀全固態電池内部的鋰離子動作視覺化的「Operando穿透電子顯微術解析技術」。
2.研究成果
此次開發了新的解析技術，可將薄膜狀全固態電池的Operando穿透電子顯微術解析技術應用於大容量用途的塊狀全固態電池，同時，還將原來每個影像需要約15分鐘的拍攝時間大幅縮短至30秒左右，成功開發了鋰離子的即時觀察技術。利用該成果，以奈米級空間解析度即時觀察了薄膜狀和塊狀這兩種全固態電池内部鋰離子的行程，明確了形成鋰離子傳導阻力的終極因數。
（1）穿透電子顯微術的改良與分析樣本形狀的最適化
由於穿透電子顯微術可以觀察的樣本尺寸有限，此前很難在顯微鏡内部驅動實際尺寸的塊狀全固態電池。此次，研究團隊透過自主改良穿透電子顯微術的樣本托架，並最適化分析樣本的形狀，成功使樣本能放入穿透電子顯微術内觀察。由此實施了塊狀全固態電池的精確的Operando穿透電子顯微術解析技術。
（2）應用機器學習
鋰是非常輕的元素，因此利用普通的穿透電子顯微術觀察法無法獲得表示鋰離子存在的清晰對比，即時觀察非常困難。在此次的開發中，透過將名爲「稀疏編碼」（能實施影像超解析度和去除噪音）的機器學習方法應用於可檢測鋰的電子能量損失能譜，成功地觀察到了鋰離子的高速低噪音分佈。
圖2：薄膜狀全固態電池内部的鋰離子即時觀察。（a）掃描穿透電子顯微術影像。（b）高速獲得的大噪音低解析度鋰分佈。（c）在b上應用光譜擬合，降低了噪音的鋰分佈。（d）在c上進一步應用稀疏編碼，實施了超解析度和噪音去除的鋰分佈。
3.未來展望
利用此次的技術，可以將解析結果回饋到各種全固態鋰離子電池的材料和器件開發中，從而設計出低内阻的電池，實施更高性能的全固態電池。
論文資訊
題目：Visualization of Lithium Transfer Resistance in Secondary Particle? Cathodes of Bulk-Type Solid-State Batteries
期刊：ACS Energy Letters5, 2098-2105 （2020）
DOI：10.1021/acsenergylett.0c00942
題目：Dynamic Imaging of Lithium in Solid-State Batteries by Operando Electron Energy-Loss Spectroscopy with Sparse Coding
期刊：Nature Communications11, 2824 （2020）
DOI：10.1038/s41467-020-16622-w
文：JST客觀日本編輯部
