NドープLi2ZrCl6系塩化物固体電解質によるLiイオン輸送の強化
N-Doped Li2ZrCl6-Based Chloride Solid Electrolytes for Enhanced Li Ion Transport
メカノケミカル法を用いてNドープLi2ZrCl6−3xNx塩化物固体電解質を合成し、N導入が結晶構造、Li局所環境、Li+輸送に与える影響を系統的に調査した。X線回折では、Li2ZrCl6関連の主要な回折特徴は大部分保持されつつ、N導入によりC2/m関連の特徴へと部分的な構造進化が誘発された。7Li MAS NMRは、N導入によりLi共鳴ピークが鋭くなったことを明らかにした。シリーズの中で、Li2ZrCl5.7N0.1は0.237 eVという最低の活性化エネルギーで1.15 mS cm−1という最高の室温イオン伝導度を示し、Li+移動障壁の低減が実証された。Li2ZrCl5.7N0.1を組み込んだ全固体電池は、安定したレート性能と長期サイクルを示し、1Cで500サイクル後に85.9%、3Cで3000サイクル後に77.4%の容量を維持した。これらの結果は、適切なN修飾がLi2ZrCl6系構造とLi局所環境を調整し、それによって全固体リチウム電池のLi+輸送を改善できることを示唆している。本研究は、次世代エネルギー貯蔵のための塩化物系固体電解質の改善に向けた実行可能な戦略を提供する。
- NドープLi2ZrCl5.7N0.1固体電解質が室温で1.15 mS cm−1のイオン伝導度と0.237 eVの低活性化エネルギーを達成した。
- 全固体電池として1Cで500サイクル後85.9%、3Cで3000サイクル後77.4%の容量維持を示した。
- メカノケミカル法によりNドープLi2ZrCl6−3xNx塩化物固体電解質を合成し、N導入が結晶構造とLi+輸送を改善することを系統的に実証した。
本研究成果は、全固体リチウム電池の電解質材料として有望視されるLi2ZrCl6系に窒素ドープという比較的シンプルな修飾を施すことで、イオン伝導度(1.15 mS/cm)とサイクル寿命(1Cで500サイクル後85.9%維持)を大幅に改善できることを実証した点が重要。固体電解質の性能向上は全固体電池の実用化における核心課題であり、本手法が低コスト・スケーラブルなメカノケミカル合成であることからも、次世代電池材料の競争構図に変化をもたらす可能性がある。