Study on diffusion mechanism of all-solid-state battery materials by using isotope exchange SIMS analysis and application to operando measurements

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H02033
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: KUWATA Naoaki 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, 主幹研究員 (00396459)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 拡散係数 / 同位体 / オペランド / SIMS / 固体電池 / 活物質 / 粒界 / ダイナミクス

Outline of Final Research Achievements

Secondary ion mass spectrometry (SIMS) was used as a technique to elucidate the diffusion mechanism of battery materials and to visualize lithium diffusion. Perovskite-type LLTO polycrystals were used as model materials for isotope exchange SIMS. By quenching the lithium diffusion at low temperatures and performing SIMS measurements, we observed a significant change in isotope concentration at grain boundary portions. Analysis of lithium diffusion revealed that the diffusion coefficient was five orders of magnitude smaller at the grain boundaries compared to the diffusion coefficient within the crystal grains. Furthermore, it was demonstrated that changes in lithium distribution in solid battery cathodes can be observed in real time by operando SIMS.

Free Research Field

物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究を実施することにより、電池材料におけるリチウムイオンの動きを可視化するための新しい手法を確立することができた。SIMSを用いた拡散解析手法は、固体電解質だけでなく、今後は正極・負極活物質や界面にも適用することができ、電池材料研究への貢献は大きい。また、SIMSによるリチウム拡散の解析は国内外を通して初めて得られたオリジナルな研究であり、学術的にも重要である。本研究を活用し、リチウム拡散をマクロな電池特性につなげることで、固体電池の性能向上に貢献できるだろう。