維持智慧型手機、電動車等多種電子設備運轉的蓄電池，已經成爲我們生活中不可或缺的一部分。其中，使用固態電解質代替電解液的「全固態電池」作爲能夠實施更安全和更高能量密度的新一代蓄電池而備受關注。在全固態電池中，鋰（Li）離子透過固態電解質在正負極間行程，產生電流。電解質内粒子之間的界面（晶界）中鋰離子遷移而產生的電阻是導致能量密度降低的終極因數之一，因此需要開發一種方法來明確離子遷移屏障的界面，而這個界面正是鋰離子全固態電池所面臨的技術瓶頸。
全固態電池内部存在晶界或活性材料——電解質界面等多種界面（左）。透過比較本次測量得到的冷凍SIMS影像（a）和雷射顯微影像（b），可以發現晶界部分⁶Li同位素豐度發生了較大變化（右）。
由日本物質與材料研究機構能源與生態材料研究中心的主幹研究員桑田直明等人組成的研究團隊，使用冷凍SIMS技術實施了固態電解質内晶界中Li離子遷移的視覺化。該方法是將注入離子的樣品溫度冷卻到零下100度以下，使粒子的行程保持凍結狀態，來進行定性和定量分析。研究中以鋰鑭鈦氧化物的多晶體作爲樣品試料，透過離子交換將⁶Li同位素導入樣品邊緣後，測量相對於整體Li濃度（⁶Li＋⁷Li）的⁶Li同位素豐度。結果表明，在晶界部分⁶Li的濃度發生了較大變化。換言之，就是在晶界部分Li離子產生了電阻，從而確定了阻礙Li離子遷移的晶界。
透過這種方法，研究人員在世界上首次成功視覺化和量化了固態電解質内Li離子的移動速度。該方法還可應用於其他電池材料的界面測量和不妨礙離子遷移的界面設計，有望爲未來全固態電池的高性能化做出貢獻。（TEXT：橫井Manami）
原文：JSTnews 2024年3月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
