维持智能手机、电动汽车等多种电子设备运转的蓄电池，已经成为我们生活中不可或缺的一部分。其中，使用固态电解质代替电解液的“全固态电池”作为能够实现更安全和更高能量密度的新一代蓄电池而备受关注。在全固态电池中，锂（Li）离子通过固态电解质在正负极间移动，产生电流。电解质内粒子之间的界面（晶界）中锂离子迁移而产生的电阻是导致能量密度降低的原因之一，因此需要开发一种方法来明确离子迁移屏障的界面，而这个界面正是锂离子全固态电池所面临的技术瓶颈。
全固态电池内部存在晶界或活性物质——电解质界面等多种界面（左）。通过比较本次测量得到的冷冻SIMS图像（a）和激光显微图像（b），可以发现晶界部分⁶Li同位素浓度发生了较大变化（右）。
由日本物质与材料研究机构能源与环境材料研究中心的主干研究员桑田直明等人组成的研究团队，使用冷冻SIMS技术实现了固体电解质内晶界中Li离子迁移的可视化。该方法是将注入离子的样品温度冷却到零下100度以下，使粒子的移动保持冻结状态，来进行定性和定量分析。研究中以锂镧钛氧化物的多晶体作为样品试料，通过离子交换将⁶Li同位素导入样品边缘后，测量相对于整体Li浓度（⁶Li＋⁷Li）的⁶Li同位素浓度。结果表明，在晶界部分⁶Li的浓度发生了较大变化。换言之，就是在晶界部分Li离子产生了电阻，从而确定了阻碍Li离子迁移的晶界。
通过这种方法，研究人员在世界上首次成功可视化和量化了固体电解质内Li离子的迁移速度。该方法还可应用于其他电池材料的界面测量和不妨碍离子迁移的界面设计，有望为未来全固态电池的高性能化做出贡献。（TEXT：横井Manami）
原文：JSTnews 2024年3月号
翻译：JST客观日本编辑部
