JP2023088911A - Solid hybrid electrolyte, method for preparation thereof and use thereof - Google Patents

Solid hybrid electrolyte, method for preparation thereof and use thereof Download PDF

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Boyang Liu
ゴン,ユンフイ
Yunhui Gong
フ,クン
Kun Fu
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Abstract

To provide a solid hybrid electrolyte used for an ion-conductive battery, which achieves higher ion conductivity at room temperature.SOLUTION: There is provided a solid hybrid electrolyte which has a layer of a polymer material (which may be a polymer/copolymer layer or a gel polymer/copolymer layer) arranged at least partially or completely on the outer surface of the solid electrolyte. The hybrid electrolyte can form an interface with the electrode of an ion-conductive battery which exhibits desirable properties. The solid electrolyte can include a monolithic SSE body, a mesoporous SSE body or an inorganic SSE having fibers or strands (which may be aligned). For solid electrolytes having strands, the strands can be formed using sacrificial templates. Solid hybrid electrolytes can be used in ion-conductive batteries (which may be flexible ion-conductive batteries).SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

関連出願の相互参照
本願は、2017年3月29日に出願された米国仮特許出願第62/478,396号
および2017年4月10日に出願された米国仮特許出願第62/483,816号の優
先権を主張するものであり、それぞれの開示内容を本明細書に援用する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is made in accordance with U.S. Provisional Patent Application No. 62/478,396, filed March 29, 2017 and U.S. Provisional Patent Application No. 62/483,816, filed April 10, 2017. No. 1, 2003, the disclosure of each of which is hereby incorporated by reference.

連邦政府による資金提供を受けた研究に関する記述
本発明は、エネルギー省により認められた契約第DEEE0006860号および第D
EEE0006860号の下、政府支援によりなされたものである。政府は、本発明の一
定の権利を有する。
STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH This invention is based on Contract Nos. DEEE0006860 and D
It was made with government support under EEE0006860. The Government has certain rights in this invention.

本開示は、一般的には固体ハイブリッド電解質に関する。より詳細に、本開示は一般的
に、イオン伝導性電池に用いられる固体ハイブリッド電解質に関する。
The present disclosure relates generally to solid state hybrid electrolytes. More particularly, this disclosure relates generally to solid state hybrid electrolytes used in ion-conducting batteries.

過去20~30年間にわたって、リチウムイオン電池技術は大幅な進歩を遂げた。純粋
なリチウム金属は、その他の如何なるリチウムイオンアノード材料との比較でも、最も高
い比容量(3860mAh/g)および最も低い電気化学ポテンシャル(-3.04V対
標準水素電極)を有する。リチウム金属アノードと関連する重要な課題として、ポリマー
セパレータを貫通し、長期サイクル用途において安全性に対する懸念および性能の低下の
両者をもたらし得る液体電解質系中の金属デンドライトの形成がある。固体電解質(SS
E)は、強力な不可侵障壁として作用することによりLiデンドライトの形成を阻止する
解決手段として認識されている。
Over the last 20-30 years, lithium-ion battery technology has made significant progress. Pure lithium metal has the highest specific capacity (3860 mAh/g) and lowest electrochemical potential (-3.04 V vs standard hydrogen electrode) compared to any other lithium ion anode material. A significant problem associated with lithium metal anodes is the formation of metal dendrites in liquid electrolyte systems that can penetrate the polymer separator and lead to both safety concerns and reduced performance in long cycle applications. Solid electrolyte (SS
E) is recognized as a solution to prevent Li dendrite formation by acting as a strong impenetrable barrier.

SSEは一般的に、広い電気化学的安定性電位窓およびLiデンドライトの貫通を防止
する高い剛性率を有するとともに、通常は不燃性であることから、安全性が向上している
。Li金属電池のSSEの主要な課題として、SSEとカソードまたはアノードとの間の
高い界面抵抗がある。界面抵抗が高いと、過電圧が大きくなり、セルのサイクル時のクー
ロン効率が低下する。
SSEs generally have a wide electrochemical stability potential window and a high modulus that prevents penetration of Li dendrites, and are usually non-flammable, thus improving safety. A major challenge for SSE in Li metal batteries is the high interfacial resistance between the SSE and the cathode or anode. High interfacial resistance leads to high overvoltages and reduced coulombic efficiency when the cell is cycled.

化学的/物理的短絡および電極の体積変化がリチウム電池のその他2つの主要な課題で
ある。従来の電池において、ポリマーセパレータでは、化学的短絡も物理的短絡も効果的
に防止できない。溶解した活物質が必然的にポリマー膜の細孔を通って移動し、高弾性の
Liデンドライトが容易に膜を貫通するため、性能が低下するとともに安全性に対する懸
念が生じることになる。リチオ化および脱リチオ化時の体積変化によって、界面における
活物質の脱離およびセル全体の構造的不安定性等の別の懸念が生じる。硫黄カソードの場
合は、多硫化リチウムの形成および液体有機電解質を横切る移動が、高エネルギー密度電
池を実現する際の別の主要な制約となる。カソードホストの開発、セパレータの改良、ま
たはLi金属の保護によって短絡を阻止するとともに体積変化に対応する広範囲の研究が
なされているものの、これらの課題に同時に対処できる方法はほとんどない。
Chemical/physical short circuit and electrode volume change are two other major problems in lithium batteries. In conventional batteries, polymer separators cannot effectively prevent chemical or physical short circuits. Dissolved active materials inevitably migrate through the pores of the polymer membrane, and highly elastic Li dendrites readily penetrate the membrane, resulting in reduced performance and safety concerns. Volume changes during lithiation and delithiation raise additional concerns such as desorption of active material at the interface and structural instability of the entire cell. For sulfur cathodes, the formation and migration across the liquid organic electrolyte of lithium polysulfides is another major limitation in achieving high energy density batteries. Although extensive research has been done to prevent short circuits and accommodate volume changes by developing cathode hosts, improving separators, or protecting Li metal, few methods can simultaneously address these challenges.

液体有機電解質がリチウムイオン電池(LIB)の業界標準のイオン伝導体である。液
体電解質は、高いイオン伝導性および良好な電極とのぬれ性を特徴とする。ただし、液体
系は可燃性であり、必然的に活物質の溶解および拡散が生じる上、不要種のカソードから
アノードへの移動によって、電極を劣化させるとともに新たなカソード性質の展開を制限
する「化学的短絡」が生じるが、これは高電圧カソード、硫黄、および空気/Oに典型
的なことである。高電圧LIBにおいては、LiNi0.5Mn1.4(LNMO)
スピネルカソードにおける遷移金属の溶解およびそれぞれのアノード表面への拡散によっ
て、急速な容量低下につながる連続的な電解質分解によりLiが失われる。LIBのほ
か、Li金属電池においても、活物質の拡散がより支配的である。たとえば、Li-S電
池においては、多硫化物の拡散によってLi金属アノードが腐食し、電極間の多硫化物の
繰り返し可能なシャトリングによって、クーロン効率の低下および活物質の損失が生じる
。同様に、Li-空気/O電池の移動性酸化還元メディエータによる短絡シャトルも回
避すべきである。したがって、このような可溶成分の電池中の移動の最小化または阻止の
観点から、化学的短絡を防止することが重要である。
Liquid organic electrolytes are the industry standard ionic conductors for lithium-ion batteries (LIBs). Liquid electrolytes are characterized by high ionic conductivity and good electrode wetting. However, liquid systems are flammable, which inevitably leads to dissolution and diffusion of the active material, and migration of unwanted species from the cathode to the anode, both degrading the electrode and limiting the development of new cathodic properties. A "short circuit" occurs, which is typical of high voltage cathodes, sulfur, and air/ O2 . In high voltage LIB, LiNi 0.5 Mn 1.4 O 4 (LNMO)
Dissolution of the transition metals in the spinel cathode and diffusion to the respective anode surface results in Li 2 + loss due to continuous electrolytic decomposition leading to rapid capacity degradation. Diffusion of the active material is more dominant in Li metal batteries as well as in LIBs. For example, in Li—S batteries, diffusion of polysulfides corrodes the Li metal anode, and the repeatable shuttling of polysulfides between electrodes leads to reduced coulombic efficiency and loss of active material. Similarly, short-circuit shuttle by mobile redox mediators in Li-air/O 2 cells should be avoided. Therefore, it is important to prevent chemical short circuits in terms of minimizing or preventing migration of such soluble components through the battery.

より高いエネルギー密度を有すると同時に突発故障の傾向の少ない新たな電池技術を開
発する革新的な手法の必要性が急速に高まっている。不要な活物質の移動および金属デン
ドライトの貫通を阻止することによって、高いエネルギー密度を提供するとともに、可燃
性および安全性の問題のほか、化学的および物理的短絡の課題に対処するための鍵となる
のが固体電解質である。
There is a rapidly growing need for innovative approaches to developing new battery technologies that have higher energy densities while at the same time being less prone to catastrophic failure. It provides high energy density by blocking unwanted active material migration and metal dendrite penetration, and is key to addressing flammability and safety issues as well as chemical and physical shorting challenges. It is a solid electrolyte.

過去数十年において、導電性酸化物、リン酸塩、水素化物、ハロゲン化物、硫化物、お
よびポリマーベースの複合物等、多くの傑出した固体電解質材料が固体電池用に開発され
てきた。0Dナノ粒子、1Dナノファイバ、2D薄膜、3Dネットワークおよびバルク成
分を含む広範な材料集合にわたって、固体リチウムイオン伝導体の電池への組み込みが実
証されている。これらのうち、3Dリチウムイオン伝導フレームワークの概念は、現在の
固体電池の能力およびサイクル動態の欠陥に対する創造的な解決手段を表し、連続的なL
iイオン移動経路および適正な機械的補強を提供する。
In the past decades, many prominent solid electrolyte materials have been developed for solid state batteries, such as conductive oxides, phosphates, hydrides, halides, sulfides, and polymer-based composites. Incorporation of solid state lithium-ion conductors into batteries has been demonstrated across a broad material ensemble including 0D nanoparticles, 1D nanofibers, 2D thin films, 3D networks and bulk components. Among these, the concept of a 3D lithium-ion conducting framework represents a creative solution to the deficiencies in current solid-state battery capabilities and cycling kinetics, and the continuous L
Provides ion migration paths and proper mechanical reinforcement.

Liデンドライトの貫通およびSEI形成に対処する方策として、リチウムデンドライ
トを機械的に抑制するとともにSEI形成を本質的に除去する固体電解質(SSE)の開
発がある。さまざまな種類の固体電解質(無機酸化物/非酸化物およびLi塩含有ポリマ
ー)の中で、固体ポリマー電解質が最も大規模に研究されている。PEOベースの複合材
においては、粉末がホストPEOポリマーマトリクスに組み込まれ、PEOポリマー鎖の
再結晶化動態に影響を及ぼして局所アモルファス領域を促進することにより、Li塩/ポ
リマー系のイオン伝導性を向上させる。また、粉末の追加によって、電気化学的安定性が
向上するとともに、機械的強度が増す。ナノ構造フィラーの開発は、アモルファス領域の
表面積の増大およびフィラーとポリマー間の界面の改善によってポリマー複合材電解質の
イオン伝導性を高くする一手法である。1次元ナノワイヤフィラーによって、ポリマー複
合材電解質のイオン伝導性が増すことが実証されている。これは、ポリマー電解質中のナ
ノ粒子フィラーが孤立分散しているのに対して、ナノワイヤフィラーがポリマーマトリク
ス中に拡張イオン移動経路を与えるためである。ただし、セラミックフィラーの凝集が残
存する可能性があり、ポリマーとの混合によって、均一な固体ポリマー電解質を大規模に
作製する際の課題となる。この課題を解決するため、近年、ポリマー電解質中の高単分散
のセラミックフィラー粒子のその場合成が報告されている。ナノサイズSiO粒子のP
EO/Li塩ポリマーへのその場合成によって、報告されている固体ポリマー電解質は、
30℃で4.4×10-5S/cmのイオン伝導度を示しているが、室温でより高いイオ
ン伝導性を実現するには、さらなる改良が必要である。したがって、本発明者らの理解に
基づき、複合材ハイブリッド電解質中の相互接続長距離イオン移動を伴う連続的なSSE
ネットワークの作製に関して満たされていない大きな要求が存在する。
Strategies to combat Li dendrite penetration and SEI formation include the development of solid electrolytes (SSEs) that mechanically inhibit lithium dendrites and essentially eliminate SEI formation. Among the various types of solid electrolytes (inorganic oxides/non-oxides and Li-salt-containing polymers), solid polymer electrolytes have been the most extensively studied. In PEO-based composites, the powder is incorporated into the host PEO polymer matrix and influences the recrystallization kinetics of the PEO polymer chains to promote local amorphous regions, thereby enhancing the ionic conductivity of the Li salt/polymer system. Improve. The addition of powder also improves electrochemical stability and increases mechanical strength. The development of nanostructured fillers is one way to increase the ionic conductivity of polymer composite electrolytes by increasing the surface area of the amorphous regions and improving the interface between the fillers and the polymer. One-dimensional nanowire fillers have been demonstrated to increase the ionic conductivity of polymer composite electrolytes. This is because nanowire fillers provide extended ionic migration paths in the polymer matrix, whereas the nanoparticle fillers in the polymer electrolyte are isolated and dispersed. However, agglomeration of the ceramic filler can remain, which poses a challenge in large-scale preparation of homogeneous solid polymer electrolytes by mixing with the polymer. To solve this problem, in situ synthesis of highly monodisperse ceramic filler particles in polymer electrolytes has recently been reported. P of nano-sized SiO2 particles
By in-situ synthesis into EO/Li salt polymers, reported solid polymer electrolytes are
Although it exhibits an ionic conductivity of 4.4×10 −5 S/cm at 30° C., further improvements are needed to achieve higher ionic conductivity at room temperature. Therefore, based on our understanding, continuous SSE with interconnecting long-range ion transport in composite hybrid electrolytes
There is a large unmet need for creating networks.

本開示は、固体ハイブリッド電解質を提供する。また、本開示は、固体ハイブリッド電
解質の作製方法およびその使用を提供する。
The present disclosure provides solid state hybrid electrolytes. The present disclosure also provides methods of making solid state hybrid electrolytes and uses thereof.

一態様において、本開示は、固体ハイブリッド電解質を提供する。固体ハイブリッド電
解質は、固体電解質(SSE)の外面の少なくとも一部または全部に配設されたポリマー
材料の層を有する。種々例において、固体ハイブリッド電解質は、ポリマー材料/固体ハ
イブリッド電解質、ポリマー/固体ハイブリッド電解質、またはゲルポリマー/固体ハイ
ブリッド電解質である。種々例において、SSEは、モノリシックもしくはメソ多孔質S
SE体または複数のファイバもしくは複数のストランドを含むSSEである。
In one aspect, the present disclosure provides solid state hybrid electrolytes. A solid state hybrid electrolyte has a layer of polymeric material disposed on at least some or all of the outer surface of a solid state electrolyte (SSE). In various examples, the solid state hybrid electrolyte is a polymer material/solid state hybrid electrolyte, a polymer/solid state hybrid electrolyte, or a gel polymer/solid state hybrid electrolyte. In various examples, the SSE is a monolithic or mesoporous S
An SSE comprising an SE body or multiple fibers or multiple strands.

一態様において、本開示は、無機ファイバまたはストランドを作製する方法を提供する
。ファイバまたはストランドは、無機SSEを形成し得る。種々例において、これらの方
法は、テンプレーティング法またはエレクトロスピニング法である。
In one aspect, the present disclosure provides a method of making inorganic fibers or strands. A fiber or strand may form an inorganic SSE. In various examples, these methods are templating methods or electrospinning methods.

ストランドは、テンプレーティング法により形成可能である。テンプレートは、無機固
体電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)を形成可能な無機材料のストランドの形
成に使用し得る連続空隙を備える。空隙は、人工的に設計されたものでもよいし、生物材
料(たとえば、木材、植物等)において自然に発生したものであってもよい。
Strands can be formed by templating methods. The template comprises continuous voids that can be used to form strands of inorganic material that can form inorganic solid electrolytes (eg, solid hybrid electrolytes). Voids may be artificially designed or naturally occurring in biological materials (eg, wood, plants, etc.).

一態様において、本開示は、本開示の固体ハイブリッド電解質の使用を提供する。固体
ハイブリッド電解質は、さまざまな機器において使用可能である。種々例において、機器
は、本開示の1つまたは複数の固体ハイブリッド電解質を備える。機器の例としては、電
解槽、電解セル、燃料電池、電池、および他の電気化学的機器(たとえば、センサ等)が
挙げられるが、これらに限定されない。
In one aspect, the present disclosure provides uses of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. Solid state hybrid electrolytes can be used in a variety of devices. In various examples, the device comprises one or more solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. Examples of devices include, but are not limited to, electrolyzers, electrolytic cells, fuel cells, batteries, and other electrochemical devices (eg, sensors, etc.).

機器は、電池であってもよい。電池は、イオン伝導性電池であってもよい。電池は、携
帯用途、輸送用途、固定エネルギー貯蔵用途等の用途向けに構成されていてもよい。イオ
ン伝導性電池の例としては、リチウムイオン伝導性電池、ナトリウムイオン伝導性電池、
マグネシウムイオン伝導性電池等が挙げられるが、これらに限定されない。
The device may be a battery. The battery may be an ion-conducting battery. The battery may be configured for applications such as portable applications, transportation applications, stationary energy storage applications, and the like. Examples of ion-conducting batteries include lithium ion-conducting batteries, sodium ion-conducting batteries,
Examples include, but are not limited to, magnesium ion conductive batteries and the like.

本開示の作用および目的をさらに理解するため、添付の図面と併せて、以下の詳細な説
明を参照するものとする。
For a further understanding of the operation and objectives of the present disclosure, reference should be made to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings.

(a)ハイブリッドポリマー/ガーネット型SSE電解質を有する場合および(b)界面ゲルポリマー層を有さず、ガーネットSSEと電極との間の界面接触が不十分な場合の固体ゲルポリマー電池設計の模式図である(ゲルポリマー層によって、電極とSSEとの間の接触を改善可能である)。Schematic of solid gel polymer battery design with (a) hybrid polymer/garnet type SSE electrolyte and (b) no interfacial gel polymer layer and poor interfacial contact between garnet SSE and electrode. (a gel polymer layer can improve the contact between the electrode and the SSE). ハイブリッド電解質を備えた対称セルのインピーダンス解析であって、(a)LiFePOカソード|ポリマー|SSE|ポリマー|カソード対称セルのEIS、(b)SS|ポリマー|SSE|ポリマー|SS対称セルのEIS、(c)カソード|ポリマー|SSE|ポリマー|カソード対称セルのEIS、(d)Li|ポリマー|Li対称セルのEISプロット、(e)Li|ポリマー|SSE|ポリマー|Li対称セルのEISプロット、(f)ゲルポリマー界面を有する場合および有さない場合のSSE|電極界面抵抗の比較を示した図である。Impedance analysis of symmetrical cells with hybrid electrolytes, (a) EIS of LiFePO4 cathode|polymer|SSE|polymer|cathode symmetrical cells, (b) EIS of SS|polymer|SSE|polymer|SS symmetrical cells, (c) EIS for cathode|polymer|SSE|polymer|cathode symmetric cell, (d) EIS plot for Li|polymer|Li symmetric cell, (e) EIS plot for Li|polymer|SSE|polymer|Li symmetric cell, ( f) Comparison of SSE|electrode interfacial resistance with and without gel-polymer interface. ゲルポリマー界面層を有する場合および有さない場合の電極|SSE|電極対称セル構成要素のインピーダンスを示した図である。FIG. 10 shows the impedance of electrode|SSE|electrode symmetrical cell components with and without a gel polymer interfacial layer. 対称完成セルのポリマー|SSE|ポリマーハイブリッド電解質の電気化学的性能であって、(a)15時間にわたる一定電流でのLi|ポリマー|SSE|ポリマー|Li対称セル中のLiストリッピングおよびプレーティングの電圧プロファイル、(b)サイクル前後のセルのEISプロット、(c)ゲルポリマー界面層を有するカソード|SSE|Liセルの充放電電圧プロファイル、(d)130サイクルにわたるセルの放電容量およびクーロン効率、(e)サイクル前、20サイクル後、および130サイクル後のセルのEISを示した図である。Electrochemical performance of polymer|SSE|polymer hybrid electrolytes in symmetrical finished cells: (a) Li stripping and plating in Li|polymer|SSE|polymer|Li symmetric cells at constant current over 15 h. Voltage profile, (b) EIS plot of cell before and after cycling, (c) charge-discharge voltage profile of cathode |SSE|Li cell with gel polymer interfacial layer, (d) discharge capacity and coulombic efficiency of cell over 130 cycles, ( e) EIS of the cell before cycling, after 20 cycles and after 130 cycles. ゲルポリマー界面を有さない電極|SSE|電極対称セルのインピーダンスであって、(a)カソード|SSE|カソード対称セルのEIS、(b)Li|SSE|Li対称セルのEISを示した図である。Impedance of an electrode |SSE| electrode symmetric cell without a gel-polymer interface, showing (a) EIS for a cathodic |SSE| cathodic symmetric cell and (b) EIS for a Li|SSE|Li symmetric cell. be. 二層固体電解質マトリクスに焦点を当てた従来の電池と固体ハイブリッド電解質との比較を示した図である。FIG. 2 shows a comparison of a conventional battery with a solid state hybrid electrolyte focusing on a bilayer solid state electrolyte matrix. 二層ガーネット固体電解質の特性評価であり、二層ガーネット構造の3D構造の模式図であって、(a)二層ガーネットSSEの写真画像、(b)多孔質層の上方視SEM画像(スケールバーは、200μmである)、(c)多孔質層の拡大図(スケールバーは、50μmである)、(d)多孔質層と高密度層との接続部のSEM(スケールバーは、10μmである)、(e)粒状高密度微細構造の拡大SEM画像(高密度構造が可溶活物質を阻止して、Liデンドライトの貫通を抑えることができる。スケールバーは、10μmである)、(f)二層ガーネット構造の断面(多孔質および高密度ガーネット構造の2つの異なる層をはっきりと観察できる(高密度層が約35μm、多孔質層が70μm))を示した図である。It is a property evaluation of a double-layer garnet solid electrolyte, and a schematic diagram of the 3D structure of the double-layer garnet structure, including (a) a photographic image of the double-layer garnet SSE, (b) an upward view SEM image of the porous layer (scale bar is 200 μm), (c) magnified view of the porous layer (scale bar is 50 μm), (d) SEM of the connection between the porous layer and the dense layer (scale bar is 10 μm). ), (e) Enlarged SEM images of granular dense microstructures (dense structures can block soluble active material and suppress penetration of Li dendrites. Scale bar is 10 μm), (f). FIG. 2 shows a cross-section of a bilayer garnet structure (two different layers of porous and dense garnet structures can be clearly observed (dense layer about 35 μm, porous layer 70 μm)). ポリスルフィド溶液、液体電解質、および溶融硫黄中のガーネットSSEの化学的安定性であって、(a)(b)表面へのArスパッタリング前後の高密度ガーネットペレットのS 2p XPSスペクトル(XPS解析の前、1週間にわたって、高密度ガーネットペレットをポリスルフィド溶液(DME/DOL中のLi)に十分に浸漬した)、(c)表面へのArスパッタリング前後の高密度ガーネットペレットのZr 3d XPSスペクトル、(d)(e)1週間にわたって液体電解質(DME/DOL中のLiTFSI)およびポリスルフィド溶液に浸した後のガーネット粉末のXRDパターンおよびラマンスペクトル(酸素および水分汚染を回避するため、サンプルをカプトンバッグに封入した)、(f)1週間にわたってポリスルフィド溶液に浸した後のガーネットナノ粉末のTEM画像、(g)1週間にわたって160℃の溶融硫黄に浸した後のガーネット粉末のXRDパターン、(h)ガーネット、LiS、およびLiの相互反応エネルギーΔED,mutualの計算を示した図である。Chemical stability of garnet SSEs in polysulfide solutions, liquid electrolytes and molten sulfur: (a) (b) S 2p XPS spectra of dense garnet pellets before and after Ar sputtering on the surface (before XPS analysis; Dense garnet pellets were thoroughly immersed in polysulfide solution (Li 2 S 8 in DME/DOL) for 1 week), (c) Zr 3d XPS spectra of dense garnet pellets before and after Ar sputtering on the surface, ( d) (e) XRD pattern and Raman spectra of garnet powder after immersion in liquid electrolyte (LiTFSI in DME/DOL) and polysulfide solutions for 1 week (samples sealed in Kapton bags to avoid oxygen and moisture contamination) ), (f) TEM image of garnet nanopowder after soaking in polysulfide solution for 1 week, (g) XRD pattern of garnet powder after soaking in molten sulfur at 160°C for 1 week, (h) garnet, FIG. 3 is a diagram showing calculation of mutual reaction energies ΔE D,mutual of Li 2 S and Li 2 S 8 . ポリスルフィド溶液、液体電解質、および溶融硫黄中のガーネットSSEの化学的安定性であって、(a)(b)表面へのArスパッタリング前後の高密度ガーネットペレットのS 2p XPSスペクトル(XPS解析の前、1週間にわたって、高密度ガーネットペレットをポリスルフィド溶液(DME/DOL中のLi)に十分に浸漬した)、(c)表面へのArスパッタリング前後の高密度ガーネットペレットのZr 3d XPSスペクトル、(d)(e)1週間にわたって液体電解質(DME/DOL中のLiTFSI)およびポリスルフィド溶液に浸した後のガーネット粉末のXRDパターンおよびラマンスペクトル(酸素および水分汚染を回避するため、サンプルをカプトンバッグに封入した)、(f)1週間にわたってポリスルフィド溶液に浸した後のガーネットナノ粉末のTEM画像、(g)1週間にわたって160℃の溶融硫黄に浸した後のガーネット粉末のXRDパターン、(h)ガーネット、LiS、およびLiの相互反応エネルギーΔED,mutualの計算を示した図である。Chemical stability of garnet SSEs in polysulfide solutions, liquid electrolytes, and molten sulfur: (a) (b) S 2p XPS spectra of dense garnet pellets before and after Ar sputtering on the surface (before XPS analysis; Dense garnet pellets were thoroughly immersed in polysulfide solution (Li 2 S 8 in DME/DOL) for 1 week), (c) Zr 3d XPS spectra of dense garnet pellets before and after Ar sputtering on the surface, ( d) (e) XRD pattern and Raman spectra of garnet powder after immersion in liquid electrolyte (LiTFSI in DME/DOL) and polysulfide solutions for 1 week (samples sealed in Kapton bags to avoid oxygen and moisture contamination) ), (f) TEM image of garnet nanopowder after soaking in polysulfide solution for 1 week, (g) XRD pattern of garnet powder after soaking in molten sulfur at 160°C for 1 week, (h) garnet, FIG. 3 is a diagram showing calculation of mutual reaction energies ΔE D,mutual of Li 2 S and Li 2 S 8 . 液体-固体ハイブリッド電解質の電気化学的特性評価であって、(a)(b)露出した高密度ガーネット層表面の模式図およびSEM画像、(c)(d)ポリマー被覆高密度ガーネット層表面の模式図およびSEM、(e)ポリマー被膜を有する対称セルのEIS、(f)電流密度0.3mA/cmでのLiプレーティング/ストリッピングサイクルの電圧プロファイル(赤線は、溶融Liをガーネット高密度層に直接取り付けて作製した形態Li/ガーネット/Liである。Li/ガーネット/Liは、高インピーダンスで高電圧の曲線を示す。黒線は、対称ハイブリッド電解質セルからである。差し込み図は、最初の数時間および140時間目におけるLiストリッピング/プレーティングの詳細な電圧プラトーを示す)、(g)(h)電流密度0.5および1.0mA/cmでのLiプレーティング/ストリッピングサイクルの電圧プロファイルを示した図である。Electrochemical characterization of liquid-solid hybrid electrolytes showing (a) (b) schematic and SEM image of exposed dense garnet layer surface, (c) (d) schematic of polymer-coated dense garnet layer surface. Figure and SEM, (e) EIS of symmetrical cell with polymer coating, (f) voltage profile of Li plating/stripping cycle at current density of 0.3 mA/ cm (red line shows molten Li at garnet density Form Li/Garnet/Li made directly attached to the layer Li/Garnet/Li shows high impedance and high voltage curve Black line is from symmetrical hybrid electrolyte cell Inset first (g) (h) Li plating/stripping cycles at current densities of 0.5 and 1.0 mA/ cm2. FIG. 10 is a diagram showing a voltage profile of . 液体-固体ハイブリッド電解質の電気化学的特性評価であって、(a)(b)露出した高密度ガーネット層表面の模式図およびSEM画像、(c)(d)ポリマー被覆高密度ガーネット層表面の模式図およびSEM、(e)ポリマー被膜を有する対称セルのEIS、(f)電流密度0.3mA/cmでのLiプレーティング/ストリッピングサイクルの電圧プロファイル(赤線は、溶融Liをガーネット高密度層に直接取り付けて作製した形態Li/ガーネット/Liである。Li/ガーネット/Liは、高インピーダンスで高電圧の曲線を示す。黒線は、対称ハイブリッド電解質セルからである。差し込み図は、最初の数時間および140時間目におけるLiストリッピング/プレーティングの詳細な電圧プラトーを示す)、(g)(h)電流密度0.5および1.0mA/cmでのLiプレーティング/ストリッピングサイクルの電圧プロファイルを示した図である。Electrochemical characterization of liquid-solid hybrid electrolytes showing (a) (b) schematic and SEM image of exposed dense garnet layer surface, (c) (d) schematic of polymer-coated dense garnet layer surface. Figure and SEM, (e) EIS of symmetrical cell with polymer coating, (f) voltage profile of Li plating/stripping cycle at current density of 0.3 mA/ cm (red line shows molten Li at garnet density Form Li/Garnet/Li made directly attached to the layer Li/Garnet/Li shows high impedance and high voltage curve Black line is from symmetrical hybrid electrolyte cell Inset first (g) (h) Li plating/stripping cycles at current densities of 0.5 and 1.0 mA/ cm2. FIG. 10 is a diagram showing a voltage profile of . 固体ハイブリッドLi-S電池の電気化学的特性評価であって、(a)従来のLi-S電池および固体ハイブリッドLi-S電池の模式図(従来のLi-Sにおいて、ポリマー多孔質膜は、ポリスルフィドの阻止もLiデンドライトの貫通の防止も不可能である。固体ハイブリッドLi-S電池において、セラミック高密度膜は、液体電解質およびポリスルフィドの物理的な阻止のみならず、Liデンドライトのカソード側への成長を抑えることも可能である)、(b)従来およびハイブリッドLi-Sセルの電圧プロファイル(充電プラトーの延長プラトーは、従来のLi-Sにおけるポリスルフィドのシャトル効果を示す。ハイブリッドLi-Sセルではシャトル効果が起こらない)、(c)高電流密度でのハイブリッドLi-Sセルの電圧プロファイル(高密度ガーネット膜および質量担持が約1.2mg/cmのスラリーキャスト硫黄電極をハイブリッドセルとして組み付けた)、(d)ハイブリッドLi-Sセルのレート性能、(e)固体ハイブリッド二層Li-S電池の模式図(硫黄およびCNTを細孔中に封入した。機械的に安定した二層ガーネット構造は、硫黄の体積膨張に対応可能であるとともに、サイクル中の安定した電極構造を維持可能である)、(f)二層硫黄カソードの断面(元素マッピングは、多孔質層の内側の硫黄分布を示す)、(g)(h)0.2mA/cmで負荷が7.5mg/cmのハイブリッド二層Li-Sセルの電圧プロファイルおよびサイクル性能を示した図である。Electrochemical characterization of solid-state hybrid Li-S batteries: (a) Schematic representation of conventional Li-S and solid-state hybrid Li-S batteries (in conventional Li-S, the polymer porous membrane is polysulfide In solid-state hybrid Li-S batteries, the ceramic dense membrane not only physically blocks the liquid electrolyte and polysulfides, but also prevents the growth of Li dendrites on the cathode side. (b) voltage profiles of conventional and hybrid Li-S cells (the extended plateau of the charging plateau indicates the shuttle effect of polysulfides in conventional Li-S; in hybrid Li-S cells the shuttle (no effect occurs), (c) voltage profile of a hybrid Li—S cell at high current density (a dense garnet film and a slurry-cast sulfur electrode with a mass loading of about 1.2 mg/ cm was assembled as a hybrid cell). , (d) Rate performance of hybrid Li-S cell, (e) Schematic of solid-state hybrid bilayer Li-S battery (sulfur and CNTs were encapsulated in the pores. The mechanically stable bilayer garnet structure is (f) Bilayer sulfur cathode cross-section (elemental mapping shows sulfur distribution inside the porous layer). , (g) (h) Voltage profile and cycling performance of a hybrid bilayer Li—S cell with a load of 7.5 mg/cm 2 at 0.2 mA/cm 2 . 固体ハイブリッドLi-S電池の電気化学的特性評価であって、(a)従来のLi-S電池および固体ハイブリッドLi-S電池の模式図(従来のLi-Sにおいて、ポリマー多孔質膜は、ポリスルフィドの阻止もLiデンドライトの貫通の防止も不可能である。固体ハイブリッドLi-S電池において、セラミック高密度膜は、液体電解質およびポリスルフィドの物理的な阻止のみならず、Liデンドライトのカソード側への成長を抑えることも可能である)、(b)従来およびハイブリッドLi-Sセルの電圧プロファイル(充電プラトーの延長プラトーは、従来のLi-Sにおけるポリスルフィドのシャトル効果を示す。ハイブリッドLi-Sセルではシャトル効果が起こらない)、(c)高電流密度でのハイブリッドLi-Sセルの電圧プロファイル(高密度ガーネット膜および質量担持が約1.2mg/cmのスラリーキャスト硫黄電極をハイブリッドセルとして組み付けた)、(d)ハイブリッドLi-Sセルのレート性能、(e)固体ハイブリッド二層Li-S電池の模式図(硫黄およびCNTを細孔中に封入した。機械的に安定した二層ガーネット構造は、硫黄の体積膨張に対応可能であるとともに、サイクル中の安定した電極構造を維持可能である)、(f)二層硫黄カソードの断面(元素マッピングは、多孔質層の内側の硫黄分布を示す)、(g)(h)0.2mA/cmで負荷が7.5mg/cmのハイブリッド二層Li-Sセルの電圧プロファイルおよびサイクル性能を示した図である。Electrochemical characterization of solid-state hybrid Li-S batteries: (a) Schematic representation of conventional Li-S and solid-state hybrid Li-S batteries (in conventional Li-S, the polymer porous membrane is polysulfide In solid-state hybrid Li-S batteries, the ceramic dense membrane not only physically blocks the liquid electrolyte and polysulfides, but also prevents the growth of Li dendrites on the cathode side. (b) voltage profiles of conventional and hybrid Li-S cells (the extended plateau of the charging plateau indicates the shuttle effect of polysulfides in conventional Li-S; in hybrid Li-S cells the shuttle (no effect occurs), (c) voltage profile of a hybrid Li—S cell at high current density (a dense garnet film and a slurry-cast sulfur electrode with a mass loading of about 1.2 mg/ cm was assembled as a hybrid cell). , (d) Rate performance of hybrid Li-S cell, (e) Schematic of solid-state hybrid bilayer Li-S battery (sulfur and CNTs were encapsulated in the pores. The mechanically stable bilayer garnet structure is (f) Bilayer sulfur cathode cross-section (elemental mapping shows sulfur distribution inside the porous layer). , (g) (h) Voltage profile and cycling performance of a hybrid bilayer Li—S cell with a load of 7.5 mg/cm 2 at 0.2 mA/cm 2 . 異なる温度(25、30、40、および50℃)での高密度ガーネットSSEペレットのナイキストプロットを示した図である(高密度ガーネットペレットの厚さは、約250μmである)。FIG. 2 shows Nyquist plots of dense garnet SSE pellets at different temperatures (25, 30, 40 and 50° C.) (thickness of dense garnet pellets is about 250 μm). ガーネットSSEの伝導度のアレニウスプロットを示した図である(活性化エネルギーは、0.35eVである)。FIG. 3 shows an Arrhenius plot of the conductivity of garnet SSE (activation energy is 0.35 eV). 従来のLi-S電池であって(硫黄の質量担持は、約1.2mg/cmである)、(a)長時間充電プラトーを伴い、ポリスルフィドのシャトル効果を示す従来のLi-S電池の電圧プロファイル、(b)従来のLi-Sセルのサイクル性能(セルは、10サイクル後に高速で低下する)、(c)従来のLi-Sセルの低いクーロン効率を示した図である。A conventional Li—S battery (sulfur mass loading is about 1.2 mg/cm 2 ), (a) of a conventional Li—S battery exhibiting a polysulfide shuttle effect with a long charge plateau; Fig. 2 shows voltage profile, (b) cycling performance of conventional Li-S cell (cell degrades fast after 10 cycles), (c) low coulombic efficiency of conventional Li-S cell. 電流が0.1mA/cmでの固体ハイブリッドLi-S電池のサイクル性能を示した図である(硫黄担持は1.2mg/cmであり、ハイブリッドセルは、1000mAh/gを上回る高容量を果たした)。Fig. 2 shows the cycling performance of a solid-state hybrid Li-S battery at a current of 0.1 mA/cm2 (sulfur loading is 1.2 mg/ cm2 , the hybrid cell has a high capacity of over 1000 mAh/g; fulfilled). CNT被覆ガーネット多孔質構造のSEM顕微鏡写真を示した図である(CNTをガーネット表面上に堆積させ、硫黄活物質の電子伝導ネットワークを提供した。(a)および(b)のスケールバーは、10μmおよび500nmである)。SEM micrographs of CNT-coated garnet porous structures (CNTs were deposited on the garnet surface to provide an electronically conducting network of sulfur active material. Scale bars in (a) and (b) are 10 μm. and 500 nm). テストしたガーネット二層Li-S電池の比エネルギー密度の計算を示した図である。FIG. 4 shows the calculation of the specific energy density of the tested garnet bilayer Li—S battery. パラメータを最適化した二層ガーネット固体Li-S電池の推定エネルギー密度を示した図である。FIG. 3 shows estimated energy densities of parameter-optimized double-layer garnet solid-state Li—S batteries. リチウム対称セルにポリマー電解質が組み込まれたマルチスケール整列メソ多孔質ガーネットLi6.4LaZrAl0.212(LLZO)膜の模式図である(ガーネット木材は、天然の木材に由来するマルチスケール整列メソ構造を有するため、ガーネット-ポリマー界面に沿ってガーネットおよびポリマー電解質を通るLiイオン移動が阻止されることがなくなる)。Schematic of a multi-scale aligned mesoporous garnet Li 6.4 La 3 Zr 2 Al 0.2 O 12 (LLZO) membrane with polymer electrolyte incorporated in a lithium symmetric cell (garnet wood is derived from natural wood It has a multi-scale ordered mesostructure, which eliminates blocking of Li ion migration through the garnet and polymer electrolyte along the garnet-polymer interface). 木材テンプレートの特性評価であって、圧縮およびスライスによる木材テンプレートの作製、(b)元の木材の上方視SEM画像、(c)(圧縮後に木材マイクロチャネルの直径が見かけ上小さくなった)圧縮木材の上方視SEM画像、(d)元の木材と(e)圧縮木材とを比較した断面SEM画像(チャネルは閉鎖されているが、高整列構造は維持されている)、(f)直径が10nm前後の整列ナノファイバのSEM画像を示した図である。Characterization of wood templates, preparation of wood templates by compression and slicing, (b) top view SEM image of original wood, (c) compressed wood (apparently smaller diameter of wood microchannels after compression). top-view SEM images of (d) pristine and (e) compressed wood (channels are closed but highly aligned structures are maintained), (f) 10 nm diameter SEM images of aligned nanofibers before and after. FIG. 木材によりテンプレーティングされた整列ガーネットの焼成であって、(a)マイクロスケールおよび(b)ナノスケールの両者でのチャネルの整列を示した断面SEM画像、(c)整列メソ多孔質ガーネットおよびPEOベースのポリマー電解質から成る可撓性ガーネット木材の写真、(d)JCPDS#90-0457に整合し、立方ガーネット構造を確認する整列ガーネットのXRDパターンを示した図である。Firing of aligned garnet templated by wood, cross-sectional SEM images showing channel alignment at both (a) microscale and (b) nanoscale, (c) aligned mesoporous garnet and PEO base. (d) XRD pattern of aligned garnet consistent with JCPDS#90-0457 and confirming the cubic garnet structure. ガーネット結晶構造のTEM特性評価であって、(a)(21 0)および(021)格子面を示す整列ガーネットから分かれたナノ粒子のHRTEM画像(差し込みグラフは、HRTEM画像のFFTパターンを示す)、(b)明瞭な多結晶構造を示すガーネットナノ粒子の縁部のTEM画像、(c)ROI、スペクトル画像、ならびにO、C、およびLaの相対組成マップをそれぞれ示すガーネット表面のEELSスペクトルを示した図である。TEM characterization of garnet crystal structure: (a) HRTEM images of nanoparticles separated from ordered garnet exhibiting (210) and (021) lattice planes (inset shows FFT pattern of HRTEM images); (b) TEM image of the edge of a garnet nanoparticle showing a distinct polycrystalline structure, (c) ROI, spectral image, and EELS spectrum of the garnet surface showing relative composition maps for O, C, and La, respectively. It is a diagram. 整列メソ多孔質構造を有するガーネット木材の電気化学的特性評価であって、(a)整列ガーネット全体にわたるポリマー電解質の完全な均一浸潤を示すSEMおよびその対応するEDX画像(スケールバーは、100μmである)、(b)温度上昇に伴うガーネット木材膜のインピーダンスの低下を示したナイキストプロット(差し込み模式図は、テストセルの構造を示す)、(c)異なる温度におけるガーネット木材とPEベースのポリマー電解質とのイオン伝導度の比較(青色領域は、室温(RT)の範囲内で実行された測定結果を示す)、(d)低ねじれおよび高速リチウム移動経路を示すガーネット木材を伴うリチウム対称セルの模式図、(e)室温における電流密度が0.1mA/cmでのLi/ガーネット木材/Liの定電流サイクルを示した図である。Electrochemical characterization of garnet wood with ordered mesoporous structure: (a) SEM and its corresponding EDX image showing complete homogenous infiltration of polymer electrolyte throughout the ordered garnet (scale bar is 100 μm). ), (b) Nyquist plot showing the decrease in impedance of garnet wood membranes with increasing temperature (inset schematic shows the structure of the test cell), (c) garnet wood and PE-based polymer electrolyte at different temperatures. (blue region indicates measurements performed within room temperature (RT)), (d) Schematic representation of a lithium symmetric cell with garnet wood showing low torsional and fast lithium migration paths. , (e) Galvanostatic cycling of Li/garnet wood/Li at a current density of 0.1 mA/cm 2 at room temperature. 整列メソ多孔質構造を有するガーネット木材の電気化学的特性評価であって、(a)整列ガーネット全体にわたるポリマー電解質の完全な均一浸潤を示すSEMおよびその対応するEDX画像(スケールバーは、100μmである)、(b)温度上昇に伴うガーネット木材膜のインピーダンスの低下を示したナイキストプロット(差し込み模式図は、テストセルの構造を示す)、(c)異なる温度におけるガーネット木材とPEベースのポリマー電解質とのイオン伝導度の比較(青色領域は、室温(RT)の範囲内で実行された測定結果を示す)、(d)低ねじれおよび高速リチウム移動経路を示すガーネット木材を伴うリチウム対称セルの模式図、(e)室温における電流密度が0.1mA/cmでのLi/ガーネット木材/Liの定電流サイクルを示した図である。Electrochemical characterization of garnet wood with ordered mesoporous structure: (a) SEM and its corresponding EDX image showing complete homogeneous infiltration of polymer electrolyte throughout the ordered garnet (scale bar is 100 μm). ), (b) Nyquist plot showing the decrease in impedance of garnet wood membranes with increasing temperature (inset schematic shows the structure of the test cell), (c) garnet wood and PE-based polymer electrolyte at different temperatures. (blue region indicates measurements performed within room temperature (RT)), (d) schematic of a lithium symmetric cell with garnet wood showing low torsional and fast lithium migration paths. , (e) Galvanostatic cycling of Li/garnet wood/Li at a current density of 0.1 mA/cm 2 at room temperature. 焼結した整列メソ多孔質ガーネットの写真であって、焼結した整列メソ多孔質ガーネットの一部を示した図である(ガーネット膜は、木材テンプレートと同様の面積で白色かつ平坦であった)。FIG. 10 is a photograph of a sintered ordered mesoporous garnet showing a portion of the sintered ordered mesoporous garnet (the garnet film was white and flat with similar area to the wood template). . ガーネット木材の断面SEM画像である(ガーネット木材の厚さは、木材テンプレートの厚さにより制御可能である。SEM画像は、低ねじれチャネルが高整列となり、ガーネット膜全体を貫通する、厚さが約30μmの薄いガーネット木材サンプルを示す)。Cross-sectional SEM image of garnet wood (the thickness of the garnet wood can be controlled by the thickness of the wood template. The SEM image shows that the low-twist channels are highly aligned and penetrate the entire garnet film, with a thickness of approx. 30 μm thin garnet wood sample). 整列ガーネット構造の断面SEM画像である(SEM画像は、厚さが18μmのガーネット木材サンプルの一部を示す。サンプルは、スライスおよび研磨により薄くしたテンプレートを焼結したものである)。Figure 10 is a cross-sectional SEM image of an aligned garnet structure (SEM image shows part of a garnet wood sample with a thickness of 18 μm. The sample was sintered from a template thinned by slicing and grinding). ガーネット木材の断面SEM画像である(SEM画像は、ガーネット木材の断面および上面を示す。整列構造は、PEOベースのポリマー電解質で完全に満たされている)。Cross-sectional SEM image of garnet wood (SEM image shows cross-section and top surface of garnet wood. Alignment structure is completely filled with PEO-based polymer electrolyte). 前駆体浸潤時の木材テンプレートの重量変化を示した図である(木材テンプレートを前駆体溶液に浸して、重量が時間とともに増加した。重量変化は、木材テンプレートの高い吸収性を示す)。Fig. 2 shows the weight change of the wood template during precursor infiltration (the wood template was soaked in the precursor solution and the weight increased with time; the weight change indicates the high absorbency of the wood template). 異なる温度でのPEO/SCN/Li-TFSIポリマー電解質の(a)EIS測定結果および(b)イオン伝導度を示した図である(ハイライト領域は、室温(RT)前後で実行された測定結果を示す。差し込み図は、PEO/LiTFSI/SCNポリマー電解質膜が2つのステンレス鋼電極により挟まれたことを示す。ポリマー電極膜の周りにポリエチレン(PE)セパレータリングを配置して、高温での厚さを固定するとともに短絡を回避した)。(a) EIS measurements and (b) ionic conductivity of PEO/SCN/Li-TFSI polymer electrolytes at different temperatures (highlighted areas are measurements performed around room temperature (RT). The inset shows a PEO/LiTFSI/SCN polymer electrolyte membrane sandwiched by two stainless steel electrodes, with a polyethylene (PE) separator ring placed around the polymer electrode membrane to increase the thickness at elevated temperature. (fixing the length and avoiding short circuits). 600時間超にわたる室温において、電流密度が0.1mA/cmのLi/ガーネット木材/Liの定電流サイクルを示した図である(電圧の変動は、セルの周囲温度の変化による。長期サイクルは、Li金属セル中のガーネット木材複合電解質の傑出した電気化学的および機械的安定性を示す)。Galvanostatic cycling of Li/garnet wood/Li at a current density of 0.1 mA/cm 2 at room temperature for over 600 hours (variation in voltage is due to changes in the ambient temperature of the cell; long-term cycling is , demonstrating the outstanding electrochemical and mechanical stability of garnet wood composite electrolytes in Li metal cells). 可撓性のリチウムイオン伝導性セラミック繊維を示した図である(リチウムイオン伝導性セラミック繊維は、可撓性で、元のテンプレートの物理的特性を維持した。独自の繊維構造によって、連続したファイバおよび糸を介する長距離のリチウムイオン移動経路、固体イオン伝導体の高表面積/体積比、およびマルチレベル多孔性分布が可能となる)。Fig. 2 shows a flexible lithium-ion conductive ceramic fiber (The lithium-ion conductive ceramic fiber was flexible and maintained the physical properties of the original template. The unique fiber structure allows continuous fiber and long-distance lithium-ion migration paths through yarns, high surface area/volume ratios of solid ionic conductors, and multi-level porosity distribution). ガーネット繊維の特性評価であって、(a)前処理した繊維テンプレートのSEM画像、(b)前駆体溶液を含浸させたテンプレートのSEM画像、(c)前駆体溶液含浸テンプレートから変換されたガーネット繊維のSEM画像、(d)3Dレーザスキャンにより生成されたガーネット繊維の平坦均一性の再構成モデル、(e)ガーネット繊維の可撓性、加工性、および溶媒耐性、(f)異なる温度で焼結した粉砕ガーネット繊維の粉末XRDパターン、(g)800℃で焼結した単一のガーネットファイバの元素分布マッピングを示した図である。Garnet fiber characterization: (a) SEM image of pretreated fiber template, (b) SEM image of precursor solution impregnated template, (c) garnet fiber converted from precursor solution impregnated template. SEM images of (d) reconstructed model of flat uniformity of garnet fibers generated by 3D laser scanning, (e) flexibility, workability and solvent resistance of garnet fibers, (f) sintering at different temperatures (g) elemental distribution mapping of a single garnet fiber sintered at 800° C.; ガーネット繊維の特性評価であって、(a)前処理した繊維テンプレートのSEM画像、(b)前駆体溶液を含浸させたテンプレートのSEM画像、(c)前駆体溶液含浸テンプレートから変換されたガーネット繊維のSEM画像、(d)3Dレーザスキャンにより生成されたガーネット繊維の平坦均一性の再構成モデル、(e)ガーネット繊維の可撓性、加工性、および溶媒耐性、(f)異なる温度で焼結した粉砕ガーネット繊維の粉末XRDパターン、(g)800℃で焼結した単一のガーネットファイバの元素分布マッピングを示した図である。Garnet fiber characterization: (a) SEM image of pretreated fiber template, (b) SEM image of precursor solution impregnated template, (c) garnet fiber converted from precursor solution impregnated template. SEM images of (d) reconstructed model of flat uniformity of garnet fibers generated by 3D laser scanning, (e) flexibility, workability and solvent resistance of garnet fibers, (f) sintering at different temperatures (g) elemental distribution mapping of a single garnet fiber sintered at 800° C.; ガーネット繊維で補強された可撓性の複合材ポリマー電解質の電気化学的特性評価であって、(a)可撓性および機械的強度を示す乾燥CPE、(b)ファイバガーネットが支配的なリチウムイオン移動メカニズム、(c)異なる温度におけるCPEのインピーダンススペクトル、(d)温度の関数としてのCPEのリチウムイオン伝導度のアレニウスプロット、(e)さまざまな電流密度および60℃でのLi/CPE/Li対称セルの定電流サイクル測定結果を示した図である。Electrochemical characterization of flexible composite polymer electrolytes reinforced with garnet fibers showing (a) dry CPE exhibiting flexibility and mechanical strength, (b) fiber garnet dominated lithium ion. Transfer mechanism, (c) impedance spectra of CPE at different temperatures, (d) Arrhenius plot of lithium ion conductivity of CPE as a function of temperature, (e) Li/CPE/Li symmetry at various current densities and 60 °C. It is the figure which showed the constant current cycle measurement result of the cell. ガーネット繊維で補強された可撓性の複合材ポリマー電解質の電気化学的特性評価であって、(a)可撓性および機械的強度を示す乾燥CPE、(b)ファイバガーネットが支配的なリチウムイオン移動メカニズム、(c)異なる温度におけるCPEのインピーダンススペクトル、(d)温度の関数としてのCPEのリチウムイオン伝導度のアレニウスプロット、(e)さまざまな電流密度および60℃でのLi/CPE/Li対称セルの定電流サイクル測定結果を示した図である。Electrochemical characterization of flexible composite polymer electrolytes reinforced with garnet fibers showing (a) dry CPE exhibiting flexibility and mechanical strength, (b) fiber garnet dominated lithium ion. Transfer mechanism, (c) impedance spectra of CPE at different temperatures, (d) Arrhenius plot of lithium ion conductivity of CPE as a function of temperature, (e) Li/CPE/Li symmetry at various current densities and 60 °C. It is the figure which showed the constant current cycle measurement result of the cell. 硫黄担持が10.8mg/cmの固体Li-S電池のガーネット繊維3D電極構成の特性評価であって、(a)高密度支持電解質上で焼結したガーネット繊維の写真、(b)硫黄カソード浸潤ガーネット繊維電極構成のSEM画像、(c)硫黄/炭素混合物を担持した単一のガーネットファイバのEDX元素マッピング、(d)固体リチウム-硫黄電池の充電-放電プロファイルを示した図である。Characterization of garnet fiber 3D electrode configuration for solid-state Li—S battery with 10.8 mg/cm 2 sulfur loading: (a) photograph of garnet fiber sintered on dense supporting electrolyte, (b) sulfur cathode. SEM images of the infiltrated garnet fiber electrode configuration, (c) EDX elemental mapping of a single garnet fiber loaded with a sulfur/carbon mixture, (d) charge-discharge profile of a solid-state lithium-sulfur battery. 可撓性ガーネット繊維の特性評価であって、(a)ガーネット前駆体溶液含浸繊維テンプレートの熱重量解析、(b)前処理した繊維テンプレートの断面SEM画像、(c)前駆体溶液含浸繊維テンプレートの断面SEM画像、(d)テンプレートの熱分解および高温焼結後のガーネット繊維の断面SEM画像を示した図である。Characterization of flexible garnet fibers comprising (a) thermogravimetric analysis of garnet precursor solution impregnated fiber template, (b) cross-sectional SEM image of pretreated fiber template, (c) precursor solution impregnated fiber template. Cross-sectional SEM images, (d) Cross-sectional SEM images of garnet fibers after pyrolysis and high temperature sintering of the template. 大寸法および異なる形状の可撓性ガーネット繊維を示した図である。Fig. 2 shows flexible garnet fibers of large size and different shapes; Liイオン伝導性ガーネットおよび絶縁性Al繊維補強可撓性CPEの特性評価であって、(a)ガーネット繊維補強可撓性CPEの断面SEM画像、(b)同一のテンプレーティング法を用いて作製された絶縁性Al繊維、(c)異なる温度における制御CPEのインピーダンスプロットを示した図である。Characterization of Li-ion conducting garnet and insulating Al2O3 fiber reinforced flexible CPE with (a) cross-sectional SEM images of garnet fiber reinforced flexible CPE, (b) using the same templating method. ( c) Impedance plots of control CPE at different temperatures. ガーネット繊維補強可撓性CPEの電気化学的特性評価であって、(a)60℃での500時間のサイクル前後のLi/CPE/Li対称セルのインピーダンスプロット、(b)0.05mA/cmでのLi/CPE/Li対称セルの室温定電流サイクル測定結果、(c)1mA/cmおよび60℃でのLi/CPE/Li対称セルの定電流サイクル測定結果を示した図である。Electrochemical characterization of garnet fiber reinforced flexible CPE: (a) Impedance plot of Li/CPE/Li symmetrical cell before and after cycling at 60° C. for 500 h, (b) 0.05 mA/cm 2 . (c) Galvanostatic cycling measurement results of the Li/CPE/Li symmetric cell at 1 mA/cm 2 and 60° C.; 固体Li-S電池のガーネット繊維構成で構築された硫黄浸潤3D電極の特性評価であって、(a)露出糸エリアから、ガーネット繊維で構築された3D硫黄カソードの高密度電解質表面への方向に沿ったEDX元素線形スキャン、(b)ガーネット繊維で構築された3D硫黄カソードの高倍率断面SEM画像および元素マッピングを示した図である。Characterization of a sulfur-infiltrated 3D electrode constructed with a garnet fiber configuration in a solid-state Li—S battery, in the direction from (a) the exposed yarn area to the dense electrolyte surface of a 3D sulfur cathode constructed with garnet fibers. (b) High magnification cross-sectional SEM image and elemental mapping of a 3D sulfur cathode constructed with garnet fibers. テープキャストおよび高温積層により作製されたガーネット電解質支持部の特性およびガーネット電解質のポリスルフィドカソード液および液体電解質との化学的互換性であって、(a)500μm厚の高密度ガーネット電解質支持部の断面SEM画像、(b)粉砕ガーネット電解質のXRDパターン、(c)25℃~100℃の温度範囲における高密度ガーネット電解質のリチウムイオン伝導度、(d)グローブボックス中で研磨された新しいガーネット電解質支持部の写真、(e)300時間にわたってポリスルフィドカソード液および液体電解質に浸したガーネット電解質の写真、(f)その後、DME/DOL溶媒で洗浄されたガーネット電解質の写真(明確な変色は観察されなかった)、(g)浸漬実験の前後のガーネット電解質のXRDパターン(化学的変化は観察されなかった)を示した図である。Properties of Garnet Electrolyte Supports Made by Tape Casting and High Temperature Lamination and Chemical Compatibility of Garnet Electrolytes with Polysulfide Catholytes and Liquid Electrolytes: (a) Cross-sectional SEM of 500 μm thick dense garnet electrolyte supports. Images, (b) XRD pattern of ground garnet electrolyte, (c) Li-ion conductivity of dense garnet electrolyte in temperature range from 25°C to 100°C, (d) of fresh garnet electrolyte support ground in glovebox. Photograph, (e) Photograph of garnet electrolyte soaked in polysulfide catholyte and liquid electrolyte for 300 hours, (f) Photograph of garnet electrolyte then washed with DME/DOL solvent (no obvious discoloration observed). (g) XRD patterns of the garnet electrolyte before and after soaking experiments (no chemical changes were observed). 0.75mA/cmにおける硫黄担持が10.8mg/cmのガーネット繊維構成で構築された固体Li-S電池の放電および充電プロファイルを示した図である。Fig. 2 shows the discharge and charge profiles of a solid state Li-S battery constructed with a garnet fiber configuration with a sulfur loading of 10.8 mg/ cm2 at 0.75 mA/cm2. 0.15mA/cmにおける硫黄担持が18.6mg/cmと高いガーネット繊維構成で構築された固体Li-S電池の放電および充電プロファイルを示した図である。FIG. 3 shows the discharge and charge profiles of a solid-state Li—S battery constructed with a garnet fiber configuration with a high sulfur loading of 18.6 mg/cm 2 at 0.15 mA/cm 2 . 異なる電解質支持部の構造的構成における硫黄担持が18.6mg/cmの固体Li-S電池の相対重量およびエネルギー密度であって、(a)固体Li-S電池におけるガーネット、カソード、アノード、および集電体の相対的な重量分布ならびに対応するエネルギー密度、(1)500μm厚の電解質支持部および63%の電解質エリアの利用、(2)100μm厚の電解質支持部および100%の電解質エリアの利用、(3)薄い高密度電解質(20μm)および多孔質基板(70μm)から成る二層支持構造ならびに100%の電解質エリアの利用、(b)低重量二層支持構造の代表的なSEM画像を示した図である。Relative weight and energy densities of solid state Li—S batteries with sulfur loadings of 18.6 mg/cm 2 in different electrolyte support structural configurations, comprising: (a) garnet, cathode, anode, and solid state Li—S batteries; Relative weight distribution of current collectors and corresponding energy densities, (1) utilization of 500 μm thick electrolyte support and 63% electrolyte area, (2) utilization of 100 μm thick electrolyte support and 100% electrolyte area. , (3) a bilayer support structure consisting of a thin dense electrolyte (20 μm) and a porous substrate (70 μm) and utilization of 100% electrolyte area, (b) a representative SEM image of a low weight bilayer support structure. It is a diagram. 固体Li-S電池の構成材料の密度を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the densities of the constituent materials of a solid-state Li—S battery; 異なる電解質支持部構成の構造パラメータを示した図である。FIG. 4 illustrates structural parameters for different electrolyte support configurations; カソード構成要素のパラメータを示した図である。FIG. 4 shows the parameters of the cathode components; アノード構成要素のパラメータを示した図である。FIG. 4 illustrates the parameters of the anode component; 固体ハイブリッド複合材電解質の模式図である(セラミックガーネットナノファイバが補強として機能し、リチウムイオン伝導性ポリマーがマトリクスとして機能する。相互接合ガーネットナノファイバネットワークは、電解質膜における連続したイオン伝導性経路を与える)。Schematic of a solid-state hybrid composite electrolyte (ceramic garnet nanofibers act as reinforcement and lithium ion-conducting polymer as matrix. Interconnected garnet nanofiber networks provide continuous ion-conducting pathways in the electrolyte membrane. give). 可撓性の固体ファイバ補強複合材(FRPC)電解質の作製であって、(a)エレクトロスピニングガーネット/PVPナノファイバの模式的セットアップ、(b)FRPC Liイオン伝導性膜を作製する模式的手順、(c)紡糸したナノファイバネットワークのSEM画像、(d)紡糸したナノファイバの直径分布、(e)ガーネットナノファイバネットワークのSEM画像、(f)ガーネットナノファイバの直径分布、(g)可撓性かつ屈曲性のFRPC Liイオン伝導性膜を示す写真画像を示した図である。Fabrication of flexible solid fiber reinforced composite (FRPC) electrolytes comprising (a) schematic setup of electrospun garnet/PVP nanofibers, (b) schematic procedure for fabricating FRPC Li-ion conducting membranes. (c) SEM image of spun nanofiber network, (d) diameter distribution of spun nanofiber, (e) SEM image of garnet nanofiber network, (f) diameter distribution of garnet nanofiber, (g) flexibility. FIG. 2 shows a photographic image showing a flexible FRPC Li-ion conductive membrane. ガーネットナノファイバ補強および固体FRPC電解質の形態学的特性評価であって、(a)相互接合ガーネットナノファイバを示すSEM画像、(b)多結晶ガーネットナノファイバのTEM画像(差し込み図は、平均粒径が直径20nmのガーネットナノファイバの拡大画像である)、(c)個々のガーネットナノファイバの高分解能TEM画像、(d)FRPC電解質膜表面のSEM画像、(e)膜の断面SEM画像、(f)断面形態の拡大SEM画像(ガーネット3D多孔質構造の空き空間は、ポリマーで満たされている)を示した図である。Morphological characterization of garnet nanofiber reinforcements and solid FRPC electrolytes showing (a) SEM images showing interconnected garnet nanofibers, (b) TEM images of polycrystalline garnet nanofibers (inset shows mean grain size). is a magnified image of a garnet nanofiber with a diameter of 20 nm), (c) high-resolution TEM image of an individual garnet nanofiber, (d) SEM image of the FRPC electrolyte membrane surface, (e) cross-sectional SEM image of the membrane, (f ) shows an enlarged SEM image of the cross-sectional morphology (empty spaces of the garnet 3D porous structure are filled with polymer). 固体FRPC電解質の熱特性および可燃性テストであって、(a)紡糸したナノファイバのTGA曲線、(b)Li塩/PEOポリマーおよびFRPC電解質膜のTGA曲線、(c)ガーネットナノ粒子と混合されたLi塩/PEOポリマーの可燃性テスト、(d)FRPC電解質膜の可燃性テストを示した図である。Thermal properties and flammability tests of solid FRPC electrolytes: (a) TGA curves of spun nanofibers, (b) TGA curves of Li salt/PEO polymer and FRPC electrolyte membranes, (c) mixed with garnet nanoparticles. (d) flammability test of FRPC electrolyte membrane; ガーネットファイバの相構造および固体FRPC電解質の電気的特性であって、(a)ガーネットナノ粒子のXRDパターン、(b)異なる温度(25℃、40℃、および90℃)におけるFRPC電解質膜のEISプロファイル、(c)高温でのFRPC電解質膜のアレニウスプロット(20℃~90℃および10℃上昇ごとに記録)、(d)0~6Vの範囲の電気化学的安定性窓を示すFRPC電解質膜のLSV曲線を示した図である。Phase structure of garnet fiber and electrical properties of solid FRPC electrolyte: (a) XRD pattern of garnet nanoparticles, (b) EIS profile of FRPC electrolyte membrane at different temperatures (25°C, 40°C and 90°C). , (c) Arrhenius plots of FRPC electrolyte membranes at elevated temperatures (recorded from 20° C. to 90° C. and every 10° C. increment), (d) LSV of FRPC electrolyte membranes showing an electrochemical stability window ranging from 0 to 6 V. FIG. 4 is a diagram showing curves; Li|FRPC電解質|Li対称セルにおいて測定したFRPC電解質膜の電気化学的性能であって、(a)リチウムプレーティング/ストリッピング実験の対称セルの模式図、(b)15℃での電流密度が0.2mA/cmのリチウムプレーティング/ストリッピングサイクルの電圧プロファイル、(c)25℃での電流密度が0.2mA/cmの続きのリチウムプレーティング/ストリッピングサイクルの電圧プロファイル、(d)異なるサイクル時間(300時間、500時間、および700時間)で測定された対称セルのインピーダンススペクトル、(e)高周波領域における拡大EISスペクトル、(f)25℃での電流密度が0.5mA/cmの続きのリチウムプレーティング/ストリッピングサイクルの電圧プロファイルを示した図である。Electrochemical performance of FRPC electrolyte membranes measured in a Li|FRPC electrolyte|Li symmetric cell: (a) Schematic of the symmetric cell for the lithium plating/stripping experiment, (b) Current density at 15 °C is voltage profile of a lithium plating/stripping cycle of 0.2 mA/ cm2 , (c) voltage profile of a subsequent lithium plating/stripping cycle with a current density of 0.2 mA/ cm2 at 25°C, (d ) Impedance spectra of symmetrical cells measured at different cycle times (300 h, 500 h and 700 h), (e) extended EIS spectrum in high frequency region, (f) current density of 0.5 mA/cm at 25 °C. 2 shows the voltage profiles of subsequent lithium plating/stripping cycles in FIG. 平均粒径が直径20nmのガーネットナノファイバの拡大TEM画像を示した図である。FIG. 2 shows an enlarged TEM image of garnet nanofibers with an average particle size of 20 nm in diameter. テスト温度が25℃まで上昇し、図6cに示すように、高温でのイオン伝導性の改善によって電圧が0.3Vまで降下した場合を示した図である(後続の長期サイクルにおいては、サイクル時間が700時間まで経過するにつれて、電圧が0.2Vまで低下し続けた。電圧の変動は、周囲環境の温度変化が原因であった)。C. The test temperature is increased to 25.degree. The voltage continued to drop to 0.2 V as the time elapsed up to 700 hours (the variation in voltage was due to temperature changes in the ambient environment). 2つの異なるストリッピング/プレーティングプロセス時間における対称セルの2つの電圧プロファイルを比較した図である。Figure 2 compares two voltage profiles of a symmetrical cell at two different stripping/plating process times; 本開示の電池の一例を示した模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of a battery of the present disclosure; FIG.

特許請求の範囲に係る主題は、特定の実施形態に関して説明するが、本明細書に記載の
利益および特徴をすべてもたらすわけではない実施形態を含む他の実施形態についても、
本開示の範囲内である。本開示の範囲から逸脱することなく、さまざまな構造的、論理的
、プロセスステップ的、および電子的変更が可能である。
Although the claimed subject matter will be described in terms of particular embodiments, other embodiments, including embodiments that do not provide all the benefits and features described herein, are also
within the scope of this disclosure. Various structural, logical, process step, and electronic changes may be made without departing from the scope of the present disclosure.

本明細書に示すすべての範囲は、別段の指定のない限り、小数第10位までの範囲内の
すべての値を含む。
All ranges provided herein include all values within the range to 10 decimal places, unless otherwise specified.

本開示は、固体ハイブリッド電解質を提供する。また、本開示は、固体ハイブリッド電
解質の作製方法およびその使用を提供する。
The present disclosure provides solid state hybrid electrolytes. The present disclosure also provides methods of making solid state hybrid electrolytes and uses thereof.

一態様において、本開示は、固体ハイブリッド電解質を提供する。固体ハイブリッド電
解質は、固体電解質(SSE)の外面の少なくとも一部または全部に配設されたポリマー
材料の層を有する。種々例において、固体ハイブリッド電解質は、ポリマー材料/固体ハ
イブリッド電解質、ポリマー/固体ハイブリッド電解質、またはゲルポリマー/固体ハイ
ブリッド電解質である。種々例において、SSEは、モノリシックもしくはメソ多孔質S
SE体または複数のファイバもしくは複数のストランドを含むSSEである。
In one aspect, the present disclosure provides solid state hybrid electrolytes. A solid state hybrid electrolyte has a layer of polymeric material disposed on at least some or all of the outer surface of a solid state electrolyte (SSE). In various examples, the solid state hybrid electrolyte is a polymer material/solid state hybrid electrolyte, a polymer/solid state hybrid electrolyte, or a gel polymer/solid state hybrid electrolyte. In various examples, the SSE is a monolithic or mesoporous S
An SSE comprising an SE body or multiple fibers or multiple strands.

種々例において、本開示は、たとえば異なる方法で形成され、たとえば望ましいイオン
伝導性を有する固体ハイブリッド電解質およびこのような電解質と電極との間の安定的で
良好に接続された界面を実現するポリマー層(たとえば、ポリマー膜)等の非限定的な層
を備えた固体ハイブリッド電解質を提供する。本開示の固体ハイブリッド電解質は、たと
えば電解質/リチウムイオンカソード界面において、248Ω×cm以下の界面抵抗を
示し、電解質/リチウム金属アノード界面において、214Ω×cm以下の界面抵抗を
示し得る。この層は、ゲルポリマー(ポリマーの内側に液体電解質を格納)、乾燥ポリマ
ー(ポリマーの内側に液体がなく、たとえばポリマー内に伝導性Liイオンが塩とともに
存在する)、または多種の伝導性薄膜で作製可能である。ポリマー界面を有する固体電解
質は、たとえば炭素またはLi金属アノードおよびLi金属酸化物、硫黄、または空気と
ともに構築して、固体Li電池を作製可能である。本開示は、固体電解質と電極との間の
界面抵抗の課題に対処するものであり、これによって、固体イオン伝導性(たとえば、リ
チウムイオン伝導性)電池のさらなる開発が促進される。
In various examples, the present disclosure provides solid hybrid electrolytes formed, e.g., in different ways, e.g., having desirable ionic conductivity, and polymeric layers that provide stable and well-connected interfaces between such electrolytes and electrodes. Solid state hybrid electrolytes with non-limiting layers such as (eg, polymer membranes) are provided. Solid hybrid electrolytes of the present disclosure may, for example, exhibit an interfacial resistance at the electrolyte/lithium ion cathode interface of 248 Ω×cm 2 or less, and an interfacial resistance at the electrolyte/lithium metal anode interface of 214 Ω×cm 2 or less. This layer can be a gel polymer (containing a liquid electrolyte inside the polymer), a dry polymer (no liquid inside the polymer, e.g. conductive Li ions with salt inside the polymer), or a variety of conductive thin films. It is possible to manufacture. A solid electrolyte with a polymer interface can be constructed with, for example, a carbon or Li metal anode and Li metal oxide, sulfur, or air to make a solid state Li battery. The present disclosure addresses the problem of interfacial resistance between solid electrolytes and electrodes, which facilitates further development of solid state ion conducting (eg, lithium ion conducting) batteries.

種々例において、本開示は、可撓性無機SSEを備えた固体ハイブリッド電解質を提供
する。可撓性無機SSEとしては、望ましい安全性を示す次世代のイオン伝導性電池(た
とえば、Li金属電池)を可能にすると予想される低コストで薄い可撓性のイオン伝導性
膜が可能である。たとえば、イオン伝導性3DネットワークのLiイオン導電性ポリマー
等との浸潤によって、可撓性のイオン伝導性SSE膜を作製する。模式的な一例を図47
に示す。種々例においては、3Dイオン伝導性ネットワークの生成に酸化物SSE材料が
用いられており、LLZOガーネット、LLTOペロブスカイト、およびLATPガラス
が挙げられるが、これらに限定されない。3D構造は、たとえば長距離イオン移動経路お
よび構造的補強の提供によって、ポリマーマトリクスを増強可能である。この膜は、高電
圧(たとえば、6V超)に対する望ましい電気化学的安定性、高イオン伝導度(たとえば
、10-4Scm-1超)、およびたとえばリチウムデンドライトを効果的に阻止するた
めの高機械的安定性を示し得る。
In various examples, the present disclosure provides solid state hybrid electrolytes with flexible inorganic SSEs. Flexible inorganic SSEs can be low-cost, thin, flexible, ion-conducting membranes that are expected to enable next-generation ion-conducting batteries (e.g., Li-metal batteries) that exhibit desirable safety. . For example, infiltration of ion-conducting 3D networks with Li-ion-conducting polymers and the like creates flexible, ion-conducting SSE membranes. A schematic example is shown in Fig. 47
shown. In various examples, oxide SSE materials have been used to create 3D ion-conducting networks, including but not limited to LLZO garnets, LLTO perovskites, and LATP glasses. 3D structures can enhance polymer matrices by, for example, providing long-distance ion migration paths and structural reinforcement. The membrane exhibits desirable electrochemical stability to high voltages (eg, greater than 6 V), high ionic conductivity (eg, greater than 10 −4 Scm −1 ), and high mechanical properties to effectively block, for example, lithium dendrites. stability.

固体ハイブリッド電解質は、無機SSE(たとえば、無機(たとえば、セラミック)モ
ノリシックもしくはメソ多孔質構造のSSE体または複数の無機ファイバもしくは複数の
無機ストランドを含むSSE(F/S SSE))と、SSEの外面の少なくとも一部ま
たは全部に配設されたポリマー材料とを含んでいてもよい。
The solid state hybrid electrolyte comprises an inorganic SSE (e.g., an SSE body of inorganic (e.g., ceramic) monolithic or mesoporous structure or an SSE comprising a plurality of inorganic fibers or a plurality of inorganic strands (F/S SSE)) and an outer surface of the SSE. and a polymeric material disposed on at least a portion or all of the

無機SSE(たとえば、F/S SSEの無機SSE)は、1つまたは複数のノードが
少なくとも2つのファイバまたはストランドにより形成された3次元ネットワーク構造を
有していてもよい。無機固体電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)は、当該無機
固体電解質の一方側から当該無機固体電解質の反対側まで連続したイオン伝導経路を有す
る。イオンSSEの3Dイオン伝導性ネットワークが補強として機能し、イオン伝導性(
たとえば、リチウムイオン伝導性)ポリマーがマトリクスとして機能し得る。3Dネット
ワークは、電解質膜において連続したイオン伝導性経路を提供する。ストランドまたはフ
ァイバにより形成された固体ハイブリッド電解質の場合、無機固体材料は、固体ハイブリ
ッド電解質の1つまたは複数の表面上に露出していてもよい。複数のストランドにより形
成された固体ハイブリッド電解質の場合、無機SSEは、連続的かつ任意選択として整列
したメソ多孔質構造であってもよい。
Inorganic SSEs (eg, inorganic SSEs of F/S SSEs) may have a three-dimensional network structure with one or more nodes formed by at least two fibers or strands. An inorganic solid electrolyte (eg, a solid hybrid electrolyte) has a continuous ionic conduction path from one side of the inorganic solid electrolyte to the other side of the inorganic solid electrolyte. The 3D ion-conducting network of ionic SSEs acts as a reinforcement and increases the ionic conductivity (
For example, a lithium ion conductive) polymer can serve as the matrix. A 3D network provides a continuous ion-conducting pathway in the electrolyte membrane. In the case of solid hybrid electrolytes formed by strands or fibers, the inorganic solid material may be exposed on one or more surfaces of the solid hybrid electrolyte. For solid hybrid electrolytes formed by multiple strands, the inorganic SSE may be a continuous and optionally aligned mesoporous structure.

固体ハイブリッド電解質の種々例においては、ポリマー材料が無機ファイバまたはテン
プレーティング無機ストランドの空隙の少なくとも一部または全部を満たす。ポリマー材
料がテンプレーティング無機固体電解質の空隙の一部を満たす固体ハイブリッド電解質の
場合は、テンプレーティング無機固体電解質の外面に開口した空隙の少なくとも一部がカ
ソード材料および/またはアノード材料で満たされて、一体化されたカソードおよび/ま
たは電極を構成していてもよい。
In various examples of solid state hybrid electrolytes, the polymeric material fills at least some or all of the voids in the inorganic fibers or templated inorganic strands. for solid hybrid electrolytes in which the polymer material partially fills the voids of the templated inorganic solid electrolyte, at least partially the voids open to the outer surface of the templated inorganic solid electrolyte are filled with the cathode material and/or the anode material; It may constitute an integrated cathode and/or electrode.

無機SSEは、さまざまな無機材料により形成可能である。無機材料は、セラミック材
料であってもよい。無機材料は、イオン伝導性(たとえば、リチウムイオン伝導性、ナト
リウムイオン伝導性、マグネシウムイオン伝導性等)の材料である。無機SSEは、イオ
ン伝導性電解質であってもよい。好適な無機材料の例が当技術分野において知られている
。無機材料の非限定的な例としては、リチウムイオン伝導性無機材料、ナトリウムイオン
伝導性無機材料、マグネシウムイオン伝導性無機材料等が挙げられる。当技術分野におい
て知られている如何なる無機SSE電解質材料も使用可能である。無機SSE電解質材料
を作製する方法が当技術分野において知られている。
Inorganic SSEs can be formed from a variety of inorganic materials. The inorganic material may be a ceramic material. Inorganic materials are materials that are ionically conductive (eg, lithium ion-conducting, sodium ion-conducting, magnesium ion-conducting, etc.). The inorganic SSE may be an ion-conducting electrolyte. Examples of suitable inorganic materials are known in the art. Non-limiting examples of inorganic materials include lithium ion conductive inorganic materials, sodium ion conductive inorganic materials, magnesium ion conductive inorganic materials, and the like. Any inorganic SSE electrolyte material known in the art can be used. Methods of making inorganic SSE electrolyte materials are known in the art.

無機材料は、さまざまな構造(たとえば、2次構造)を有し得る。種々例において、無
機材料は、アモルファス、結晶(たとえば、単結晶および多結晶)であるか、あるいは、
さまざまなアモルファスおよび/または結晶性ドメインを有する。
Inorganic materials can have a variety of structures (eg, secondary structures). In various examples, the inorganic material is amorphous, crystalline (eg, monocrystalline and polycrystalline), or
It has various amorphous and/or crystalline domains.

無機材料は、リチウム伝導性無機(たとえば、セラミック)材料であってもよい。リチ
ウム伝導性無機材料は、リチウム含有材料であってもよい。
The inorganic material may be a lithium-conducting inorganic (eg, ceramic) material. The lithium-conducting inorganic material may be a lithium-containing material.

リチウムイオン伝導性SSE材料の非限定的な例としては、リチウムペロブスカイト材
料、LiN、Li-β-アルミナ、リチウム超イオン伝導体(LISICON)、Li
2.88PO3.860.14(LiPON)、LiAlSiO、Li10GeP
12、リチウムガーネットSSE材料、ドープリチウムガーネットSSE材料、リチ
ウムガーネット複合材料等が挙げられる。種々例において、リチウムガーネットSSE材
料は、カチオンドープLiLa 12(ただし、MはNb、Zr、Ta、ま
たはこれらの組み合わせ)、カチオンドープLiLaBaTa12、カチオンド
ープLiLaZr12、およびカチオンドープLiBaY 12であ
り、カチオンドーパントが、バリウム、イットリウム、亜鉛、またはこれらの組み合わせ
等である。他の種々例において、リチウムガーネットSSE材料は、LiLaNb
12、LiLaTa12、LiLaZr12、LiLaSrNb
12、LiLaBaNb12、LiLaSrTa12、LiLa
BaTa12、LiZr12、Li6.4Zr1.4Ta0.6
12、Li6.5La2.5Ba0.5TaZrO12、LiBaY 12
LiZr12、Li6.75BaLaNb1.75Zn0.2512、L
6.75BaLaTa1.75Zn0.2512等である。
Non-limiting examples of lithium ion conducting SSE materials include lithium perovskite materials, Li 3 N, Li-β-alumina, lithium superionic conductors (LISICON), Li
2.88PO3.86N0.14 ( LiPON ), Li9AlSiO8 , Li10GeP
2 S 12 , lithium garnet SSE materials, doped lithium garnet SSE materials, lithium garnet composite materials, and the like. In various examples , the lithium garnet SSE material is cation - doped Li5La3M12O12 (where M1 is Nb, Zr, Ta, or a combination thereof), cation-doped Li6La2BaTa2O12 , cation -doped Li7La3Zr2O12 , and cation - doped Li6BaY2M12O12 , where the cation dopant is barium , yttrium , zinc , or combinations thereof, and the like . In various other examples, the lithium garnet SSE material is Li 5 La 3 Nb 2
O12 , Li5La3Ta2O12 , Li7La3Zr2O12 , Li6La2SrNb _ _ _ _
2O12 , Li6La2BaNb2O12 , Li6La2SrTa2O12 , Li6La _ _ _ _
2BaTa2O12 , Li7Y3Zr2O12 , Li6.4Y3Zr1.4Ta0.6O _ _ _ _ _ _
12 , Li6.5La2.5Ba0.5TaZrO12 , Li6BaY2M12O12 , _ _ _ _
Li7Y3Zr2O12 , Li6.75BaLa2Nb1.75Zn0.25O12 , L _ _ _ _
i 6.75 BaLa 2 Ta 1.75 Zn 0.25 O 12 and the like.

無機材料は、ナトリウムイオン伝導性無機(たとえば、セラミック)材料であってもよ
い。ナトリウムイオン伝導性無機材料は、ナトリウム含有材料であってもよい。たとえば
、ナトリウムイオン伝導性無機材料は、β”-Al、NaZrSiPO12
(NASICON)、カチオンドープNASICON等である。
The inorganic material may be a sodium ion-conducting inorganic (eg, ceramic) material. The sodium ion-conducting inorganic material may be a sodium-containing material. For example, sodium ion conductive inorganic materials include β″-Al 2 O 3 , Na 4 Zr 2 Si 2 PO 12
(NASICON), cation-doped NASICON, and the like.

無機材料は、マグネシウムイオン伝導性無機(たとえば、セラミック)材料であっても
よい。マグネシウムイオン伝導性無機材料は、マグネシウム含有材料であってもよい。種
々例において、マグネシウムイオン伝導性無機材料は、ドープマグネシウム酸化物材料か
ら選択される。種々例において、マグネシウムイオン含有材料は、Mg1+x(Al,T
i)(PO(ただし、xは4または5)、NASICON型マグネシウムイオン
伝導性材料等である。
The inorganic material may be a magnesium ion-conducting inorganic (eg, ceramic) material. The magnesium ion-conducting inorganic material may be a magnesium-containing material. In various examples, the magnesium ion-conducting inorganic material is selected from doped magnesium oxide materials. In various examples, the magnesium ion-containing material is Mg 1+x (Al,T
i) 2 (PO 4 ) 6 (where x is 4 or 5), NASICON type magnesium ion conductive material, and the like.

モノリシックSSEまたはメソ多孔質SSE体は、さまざまなサイズ(すなわち、寸法
)および/または形状を有し得る。好適なモノリシックSSEまたはメソ多孔質SSE体
が当技術分野において知られている。モノリシックSSE体は、(たとえば、無機材料の
高密度層のみを含む)高密度体であってもよいし、高密度焼結体であってもよい。
Monolithic SSE or mesoporous SSE bodies can have various sizes (ie, dimensions) and/or shapes. Suitable monolithic SSE or mesoporous SSE bodies are known in the art. A monolithic SSE body may be a dense body (eg, comprising only dense layers of inorganic material) or a dense sintered body.

メソ多孔質SSEの非限定的な例としては、多孔質(たとえば、メソ多孔質)材料の外
部層を含む平面状SSE構造(たとえば、高密度層および少なくとも1つの多孔質(たと
えば、メソ多孔質)層を含む多層SSE構造)を含む。多層SSE構造の非限定的な例と
しては、(高密度層上に配設された多孔質層を含む)二層構造および(高密度層の両側に
配設された2つの多孔質層を含む)三層構造が挙げられ、当技術分野において知られてい
る。多層構造の例は、2014年3月21日に出願され、2014年9月25日に米国特
許出願公開第2014/0287305号として公開された米国特許出願第14/222
,306号(発明の名称「Ion Conducting Batteries wit
h Solid State Electrolyte Materials」)および
2016年11月30日に出願され、2017年6月1日に米国特許出願公開第2017
/0155169号として公開された米国特許出願第15/364,528号(発明の名
称「Ceramic Ion Conducting Structures and
Methods of Fabricating Same, and Uses of
Same」)に記載されており、それぞれの開示内容を本明細書に援用する。
Non-limiting examples of mesoporous SSEs include planar SSE structures comprising an outer layer of porous (eg, mesoporous) material (eg, a dense layer and at least one porous (eg, mesoporous) ) layers, including a multi-layer SSE structure). Non-limiting examples of multi-layer SSE structures include bilayer structures (including a porous layer disposed on the dense layer) and two porous layers (including two porous layers disposed on either side of the dense layer). ) trilayer structures, known in the art. An example of a multi-layer structure is U.S. patent application Ser.
, No. 306 (title of the invention "Ion Conducting Batteries wit
H Solid State Electrolyte Materials") and filed November 30, 2016, and U.S. Patent Application Publication No. 2017, filed June 1, 2017
U.S. patent application Ser. No. 15/364,528, published as Ser.
Methods of Fabricating Same, and Uses of
Same”), the disclosure of each of which is incorporated herein by reference.

F/S SSEは、さまざまなサイズ(すなわち、寸法)および/または形状のファイ
バまたはストランドを含み得る。種々例において、ファイバまたはストランドは、円筒状
または実質的に円筒状、多面体形状または実質的に多面体形状、不規則形状等である。フ
ァイバまたはストランドは、使用する機器の1つまたは複数の寸法の倍数に対応する長さ
を有し得る。種々例において、ファイバまたはストランドは、1ミクロン~20メートル
の長さ(両者間のすべての整数ミクロン値および範囲を含む)および/または1nm~1
0ミクロンの最大断面寸法(たとえば、直径)(両者間のすべての整数nm値および範囲
を含む)を有する。一例において、F/S SSEは、10以上の最大断面寸法(たとえ
ば、直径)までの長さのファイバまたはストランドを含む。
The F/S SSE may include fibers or strands of various sizes (ie, dimensions) and/or shapes. In various examples, the fibers or strands are cylindrical or substantially cylindrical, polyhedral or substantially polyhedral, irregular shapes, and the like. The fibers or strands may have lengths that correspond to multiples of one or more dimensions of the equipment used. In various examples, the fibers or strands are from 1 micron to 20 meters long (including all integer micron values and ranges therebetween) and/or from 1 nm to 1
It has a maximum cross-sectional dimension (eg, diameter) of 0 microns (including all integer nm values and ranges therebetween). In one example, the F/S SSE includes fibers or strands of length up to 10 or more maximum cross-sectional dimensions (eg, diameters).

F/S SSEのファイバまたはストランドは、可撓性で、たとえば電池等の可撓性機
器に使用する可撓性固体ハイブリッド電解質を提供し得る。F/S SSEおよびポリマ
ー材料は、電解質を形成していてもよい。F/S SSEは、本明細書に記載の方法によ
り作製可能である。
The F/S SSE fibers or strands are flexible and can provide flexible solid-state hybrid electrolytes for use in flexible devices such as batteries. The F/S SSE and polymeric material may form an electrolyte. F/S SSEs can be made by the methods described herein.

さまざまなポリマー材料を使用可能である。2つ以上のポリマー材料(たとえば、2つ
以上のポリマー)の混合物を使用可能である。ポリマー材料は、伝導性(たとえば、イオ
ン伝導性および/または電子伝導性)、非伝導性、またはこれらの組み合わせとすること
ができる。ポリマー材料は、乾燥ポリマーまたはゲルであってもよい。
A variety of polymeric materials can be used. A mixture of two or more polymeric materials (eg, two or more polymers) can be used. The polymeric material can be conductive (eg, ionically and/or electronically conductive), non-conductive, or a combination thereof. The polymeric material may be a dry polymer or gel.

モノリシックSSEまたはメソ多孔質体の場合は、ポリマー材料が伝導性(たとえば、
イオン伝導性および/または電子伝導性)であるのが望ましいことがある。複数のファイ
バまたはストランドを含む無機SSEの場合は、複数のポリマー材料の混合物とすること
ができるポリマー材料がSSEに対して機械的強度を与えるのが望ましいことがある。
For monolithic SSEs or mesoporous bodies, the polymeric material is conductive (e.g.
ion-conducting and/or electronically-conducting). For inorganic SSEs comprising multiple fibers or strands, it may be desirable for the polymeric material, which may be a mixture of multiple polymeric materials, to provide mechanical strength to the SSE.

モノリシックSSEまたはメソ多孔質SSE体を有する固体ハイブリッド電解質の場合
は、ポリマー材料の薄層(たとえば、厚さが5nm~10ミクロン(両者間のすべての整
数nm値および範囲を含む))を有するのが望ましい。
Solid state hybrid electrolytes with monolithic SSE or mesoporous SSE bodies have a thin layer of polymeric material (e.g., 5 nm to 10 microns thick, including all integer nm values and ranges therebetween). is desirable.

ポリマー材料は、SSE(たとえば、無機SSE)の表面の少なくとも一部または全部
に配設可能である。高密度SSE材料の場合、ポリマー材料は、少なくとも一部(たとえ
ば、電極(たとえば、カソードおよび/またはアノード)が配設されるSSE材料の部分
)に配設された層(たとえば、コンフォーマル層)である。多孔質SSE(モノリシック
SSEもしくはメソ多孔質SSE体または複数のファイバまたはストランドを含むSSE
の外部(たとえば、層)であってもよい)の場合、ポリマー材料は、細孔表面、非細孔表
面、または両者に配設される。電極(たとえば、カソードおよび/またはアノード)が配
設される多孔質SSE材料の部分にポリマー材料が配設されるのが望ましいことがある。
一例において、ポリマー材料は、固体ハイブリッド電解質の1体積百分率以上、5体積百
分率以上、10体積百分率以上、20体積百分率以上、30体積百分率以上、40体積百
分率以上、50体積百分率以上、または60体積百分率以上で存在する。
The polymeric material can be disposed on at least some or all of the surface of the SSE (eg, inorganic SSE). For dense SSE materials, the polymer material is a layer (eg, conformal layer) disposed in at least a portion (eg, the portion of the SSE material where the electrodes (eg, cathode and/or anode) are disposed). is. Porous SSE (monolithic SSE or mesoporous SSE body or SSE containing multiple fibers or strands
), the polymeric material is disposed on the pore surfaces, the non-pore surfaces, or both. It may be desirable to have a polymeric material disposed on the portion of the porous SSE material where the electrodes (eg, cathode and/or anode) are disposed.
In one example, the polymeric material is 1 volume percent or more, 5 volume percent or more, 10 volume percent or more, 20 volume percent or more, 30 volume percent or more, 40 volume percent or more, 50 volume percent or more, or 60 volume percent of the solid hybrid electrolyte. exist above.

モノリシックSSEまたはメソ多孔質体を備えた固体ハイブリッド電解質の場合、ポリ
マー材料としては、層が可能である。この層は、当技術分野において知られているさまざ
まな方法により形成可能である。たとえば、ディップコート、スラリーキャスト、スプレ
ーコート、またはスピンコート等によってポリマー材料層が形成される。
For solid state hybrid electrolytes with monolithic SSEs or mesoporous bodies, the polymeric material can be a layer. This layer can be formed by various methods known in the art. For example, a layer of polymeric material is formed by dip coating, slurry casting, spray coating, spin coating, or the like.

F/S SSEを備えた固体ハイブリッド電解質の場合、ポリマー材料は、SSEの個
々のファイバまたはストランドにより形成された空隙に配設される。空隙は、テンプレー
トの使用の結果としての細孔であってもよい。ポリマー材料は、当技術分野において知ら
れている方法によって、F/S SSEに組み込まれていてもよい。たとえば、ポリマー
材料は、F/S SSEの空隙(たとえば、細孔)に対して浸潤またはその場合成される
In the case of solid state hybrid electrolytes with F/S SSE, the polymer material is disposed in the voids formed by the individual fibers or strands of the SSE. Voids may be pores as a result of the use of templates. Polymeric materials may be incorporated into the F/S SSE by methods known in the art. For example, a polymeric material is infiltrated or formed in situ into the voids (eg, pores) of the F/S SSE.

さまざまなポリマー材料を使用可能である。ポリマー材料は、1つまたは複数のポリマ
ー、1つまたは複数の共重合体、またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。ポリマ
ーおよび/または共重合体の分子量は、特に制限されない。たとえば、機器(たとえば、
固体イオン伝導性電池)の性能(たとえば、イオン伝導性)要件に応じて、ポリマーおよ
び/または共重合体が広範な分子量を有し得る。ポリマーおよび/または共重合体が導電
性であるのが望ましいことがある。ポリマー材料は、導電性ポリマーおよび/もしくは共
重合体ならびに非導電性ポリマーおよび/もしくは共重合体の混合物を含んでいてもよい
A variety of polymeric materials can be used. A polymeric material may include one or more polymers, one or more copolymers, or a combination thereof. The molecular weight of the polymer and/or copolymer is not particularly limited. equipment (for example,
Polymers and/or copolymers can have a wide range of molecular weights, depending on the performance (eg, ionic conductivity) requirements of the solid state ion-conducting battery. It may be desirable for the polymer and/or copolymer to be electrically conductive. The polymeric material may comprise mixtures of conducting and/or non-conducting polymers and/or copolymers.

ポリマーおよび/または共重合体は、さまざまな構造(たとえば、2次構造)を有し得
る。種々例において、ポリマーおよび/または共重合体は、アモルファス、結晶、または
これらの組み合わせである。ポリマーおよび/または共重合体は、結晶性が低いことが望
ましいことがある。
Polymers and/or copolymers can have a variety of structures (eg, secondary structures). In various examples, the polymers and/or copolymers are amorphous, crystalline, or combinations thereof. It may be desirable for the polymer and/or copolymer to have low crystallinity.

ポリマー材料としては、ポリマーおよび共重合体が挙げられるが、これらに限定されな
い。ポリマーおよび共重合体は、導電性であってもよいし、非導電性であってもよい。ポ
リマーおよび共重合体の非限定的な例としては、ポリ(エチレン)(PE)、ポリ(エチ
レンオキシド)(PEO)、ポリ(プロピレン)(PP)、ポリ(プロピレンオキシド)
、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ[ビ
ス(メトキシエトキシエトキシド)-ホスファゼン]、ポリ(ジメチルシロキサン)(P
DMS)、セルロース、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロ
ース、ポリ二フッ化ビニリデン(PVdF)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリス
チレン、スルホン酸塩(PSS)、ポリ塩化ビニル(PVC)群、ポリ(塩化ビニリデン
)ポリプロピレンオキシド、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン(たとえば、
テフロン(Teflon)(登録商標))、ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)
、ポリイミド、ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)、PEO含有共重合体(たとえ
ば、ポリスチレン(PS)-PEO共重合体およびポリ(メチルメタクリレート)(PM
MA)-PEO共重合体)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(アクリロニトリル
-メチルアクリレート共重合体)、PVdF含有共重合体(たとえば、ポリフッ化ビニリ
デン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF-HFP共重合体))、PMMA共
重合体(たとえば、ポリ(メチルメタクリレート-エチルアクリレート共重合体))が挙
げられる。これらの非限定的な例には、ポリマーおよび共重合体の誘導体も含む。種々例
において、ポリマー材料は、2つ以上のこれらポリマーの組み合わせである。
Polymeric materials include, but are not limited to, polymers and copolymers. Polymers and copolymers may be conductive or non-conductive. Non-limiting examples of polymers and copolymers include poly(ethylene) (PE), poly(ethylene oxide) (PEO), poly(propylene) (PP), poly(propylene oxide)
, polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), poly[bis(methoxyethoxyethoxide)-phosphazene], poly(dimethylsiloxane) (P
DMS), cellulose, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, polyvinylidene difluoride (PVdF), polyvinylpyrrolidone (PVP), polystyrene, sulfonate (PSS), polyvinyl chloride (PVC) group, poly (Vinylidene chloride) polypropylene oxide, polyvinyl acetate, polytetrafluoroethylene (for example,
Teflon®), poly(ethylene terephthalate) (PET)
, polyimides, polyhydroxyalkanoates (PHAs), PEO-containing copolymers (e.g., polystyrene (PS)-PEO copolymers and poly(methyl methacrylate) (PM
MA)-PEO copolymer), polyacrylonitrile (PAN), poly(acrylonitrile-methyl acrylate copolymer), PVdF-containing copolymers (for example, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP copolymer coal)), PMMA copolymers (eg, poly(methyl methacrylate-ethyl acrylate copolymer)). Non-limiting examples of these also include derivatives of polymers and copolymers. In various examples, the polymeric material is a combination of two or more of these polymers.

ポリマー材料は、ゲルであってもよい。ゲルは、ポリマー材料(たとえば、1つもしく
は複数のポリマーならびに/または1つもしくは複数の共重合体)ならびに液体を含む。
また、液体の組み合わせを使用可能である。種々例において、液体は、有機液体(たとえ
ば、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメトキシエタ
ン(DME)、ジオキソラン(DOL)等)またはイオン液体(たとえば、N-プロピル
-N-メチルピロリジニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PYR
TFSI)等)である。
The polymeric material may be a gel. A gel includes a polymeric material (eg, one or more polymers and/or one or more copolymers) as well as a liquid.
Combinations of liquids can also be used. In various examples, the liquid is an organic liquid (eg, ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethoxyethane (DME), dioxolane (DOL), etc.) or an ionic liquid (eg, N-propyl-N-methylpyrroli Dinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR 1
3 TFSI), etc.).

液体は、液体電解質であってもよい。液体電解質は、金属塩(たとえば、1つまたは複
数のリチウム塩、1つまたは複数のナトリウム塩、1つまたは複数のマグネシウム塩等)
を含んでいてもよい。液体電解質の非限定的な一例は、水性液体電解質である。液体電解
質の非限定的な例としては、エチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(D
EC)中のLiPF(たとえば、1M)、ジメトキシエタン(DME)/ジオキソラン
(DOL)中のLiTFSI(たとえば、1M)、N-プロピル-N-メチルピロリジニ
ウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PYR13TFSI)イオン液体
中のLiTFSI(たとえば、0.5M)等が挙げられる。
The liquid may be a liquid electrolyte. Liquid electrolytes are metal salts (e.g., one or more lithium salts, one or more sodium salts, one or more magnesium salts, etc.)
may contain A non-limiting example of a liquid electrolyte is an aqueous liquid electrolyte. Non-limiting examples of liquid electrolytes include ethylene carbonate (EC)/diethyl carbonate (D
LiPF6 (eg 1 M) in dimethoxyethane (DME)/dioxolane (DOL) (eg 1 M), N-propyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide ( PYR 13 TFSI), LiTFSI in ionic liquids (eg, 0.5 M), and the like.

ポリマー材料は、フィラーを含んでいてもよい。一例において、ポリマー材料は、1つ
または複数のセラミックフィラー(たとえば、ポリマー材料の総重量に基づいて、2~2
5wt%のセラミックフィラー)を含む。セラミックフィラーの非限定的な例としては、
導電性粒子、非導電性粒子(たとえば、Al、SiO、TiOナノ粒子等)、
セラミックナノ材料(たとえば、セラミックナノ粒子、セラミックナノファイバ等)が挙
げられる。セラミックナノ材料は、本明細書に開示の無機材料の組成を有していてもよい
The polymeric material may contain fillers. In one example, the polymeric material includes one or more ceramic fillers (eg, 2 to 2, based on the total weight of the polymeric material).
5 wt% ceramic filler). Non-limiting examples of ceramic fillers include:
conductive particles , non-conductive particles (e.g. Al2O3 , SiO2 , TiO2 nanoparticles, etc.),
Ceramic nanomaterials (eg, ceramic nanoparticles, ceramic nanofibers, etc.) can be mentioned. Ceramic nanomaterials may have the compositions of the inorganic materials disclosed herein.

一態様において、本開示は、無機ファイバまたはストランドを作製する方法を提供する
。ファイバまたはストランドは、無機SSEを形成し得る。種々例において、これらの方
法は、テンプレーティング法またはエレクトロスピニング法である。
In one aspect, the present disclosure provides a method of making inorganic fibers or strands. A fiber or strand may form an inorganic SSE. In various examples, these methods are templating methods or electrospinning methods.

ストランドは、テンプレーティング法により形成可能である。テンプレートは、無機固
体電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)を形成可能な無機材料のストランドの形
成に使用し得る連続空隙を備える。空隙は、人工的に設計されたものでもよいし、生物材
料(たとえば、木材、植物等)において自然に発生したものであってもよい。
Strands can be formed by templating methods. The template comprises continuous voids that can be used to form strands of inorganic material that can form inorganic solid electrolytes (eg, solid hybrid electrolytes). Voids may be artificially designed or naturally occurring in biological materials (eg, wood, plants, etc.).

テンプレーティング法は、必要な構造を生成する簡単ながら効果的な方法を提供する。
繊維テンプレートを1つまたは複数の無機SSE材料前駆体に接触(たとえば、浸漬)さ
せた後、任意選択としての加熱ステップにおいて前駆体を反応させるとともに、熱処理(
たとえば、熱分解)において有機成分を取り除く。得られる繊維状無機材料は、可撓性ま
たは剛性の電池構成への統合を可能にする望ましい特性を示し得る。たとえば、無機材料
のストランドまたはファイバネットワークによって、ポリマー材料内にリチウムイオン移
動経路が構築され、ポリマー材料の機械的強度が向上した。あるいは、無機材料(たとえ
ば、セラミック)繊維は、噛み合わせまたは同心構成での電極材料との組み合わせによっ
て、電解質体積を最小限に抑えるとともに、電極の利用を最大化するため、充電/放電時
の活性電解質エリア、リチウムイオン界面移動、および電極体積変化耐性の増大が可能で
ある。
Templating methods provide a simple yet effective way to generate the required structures.
After contacting (e.g., immersing) the fiber template with one or more inorganic SSE material precursors, the precursors are reacted in an optional heating step and heat treated (
For example, pyrolysis) to remove organic components. The resulting fibrous inorganic materials can exhibit desirable properties that allow integration into flexible or rigid battery configurations. For example, strands or fiber networks of inorganic materials have established lithium ion migration pathways within polymeric materials to enhance their mechanical strength. Alternatively, inorganic material (e.g., ceramic) fibers may be combined with the electrode material in an interlocking or concentric configuration to minimize electrolyte volume and maximize electrode utilization, thereby increasing the activity during charge/discharge. Increased electrolyte area, lithium ion interfacial migration, and electrode volume change resistance are possible.

テンプレーティング法は、複数のストランドを含む多孔質(たとえば、ナノ多孔質およ
び/またはマイクロ多孔質)無機SSEを提供する。ストランドは、個々のストランドの
構成に用いられるテンプレートの大略形状(たとえば、円筒状または実質的に円筒状、多
面体形状または実質的に多面体形状、不規則形状等)を有していてもよい。たとえば、ス
トランドは、マイクロメートルからメートルの範囲の長さおよび/またはナノメートルか
らマイクロメートルの範囲の最大断面寸法(たとえば、直径)を有する。
The templating method provides a porous (eg, nanoporous and/or microporous) inorganic SSE comprising multiple strands. The strands may have the general shape of the template used to construct the individual strands (eg, cylindrical or substantially cylindrical, polyhedral or substantially polyhedral, irregular, etc.). For example, strands have lengths in the micrometer to meter range and/or maximum cross-sectional dimensions (eg, diameters) in the nanometer to micrometer range.

無機SSE電解質の細孔(たとえば、細孔サイズ、細孔サイズ分布、細孔形態等)は、
方法(たとえば、使用するテンプレーティングまたはエレクトロスピニング)に応じて変
化し得る。テンプレーティング法の場合、細孔は、テンプレート材料の除去により形成さ
れるようになっていてもよい(たとえば、テンプレーティング材料に対応するサイズおよ
び/または形状を有していてもよい)。エレクトロスピニングの場合、細孔は、ファイバ
により形成された空隙によって形成されるようになっていてもよい。たとえば、テンプレ
ーティング法により形成された無機SSEの場合は、細孔の少なくとも一部または全部が
1~100ミクロンのうちの少なくとも1つの寸法を有する。たとえば、エレクトロスピ
ニングにより形成された無機SSEの場合は、細孔の少なくとも一部または全部が1nm
~500ミクロンのうちの少なくとも1つの寸法を有する。
The pores (e.g., pore size, pore size distribution, pore morphology, etc.) of the inorganic SSE electrolyte are
It may vary depending on the method (eg, templating or electrospinning used). For templating methods, the pores may be formed by removal of the template material (eg, may have a size and/or shape corresponding to the template material). In the case of electrospinning, the pores may be formed by voids formed by the fibers. For example, for inorganic SSEs formed by templating methods, at least some or all of the pores have at least one dimension between 1 and 100 microns. For example, for inorganic SSEs formed by electrospinning, at least some or all of the pores are 1 nm
It has at least one dimension between ˜500 microns.

種々例において、固体ハイブリッド電解質の細孔、固体ハイブリッド電解質のストラン
ド(たとえば、ストランドの一部または全部)(存在する場合)、および/または固体ハ
イブリッド電解質の細孔は、整列していてもよいし、実質的に整列していてもよい。「整
列」は、各ストランドの長手方向軸が隣接ストランドの長手方向軸に対して平行、平行の
30°未満、20°未満、15°未満、10°未満、または5°未満となるように、無機
SSEのストランドおよび/または細孔が整列することを意味する。一例において、スト
ランドおよび/または細孔は、端と端とを接続するようには配置されない。実質的な整列
は、ストランドの少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70、80%、少な
くとも90%、少なくとも95%、少なくとも99%が整列することを意味する。
In various examples, the pores of the solid hybrid electrolyte, the strands of the solid hybrid electrolyte (e.g., some or all of the strands) (if present), and/or the pores of the solid hybrid electrolyte can be aligned. , may be substantially aligned. “Alignment” is defined such that the longitudinal axis of each strand is parallel, less than 30°, less than 20°, less than 15°, less than 10°, or less than 5° parallel to the longitudinal axis of the adjacent strand, It means that the strands and/or pores of the inorganic SSE are aligned. In one example, the strands and/or pores are not arranged end-to-end. Substantially aligned means that at least 50%, at least 60%, at least 70, 80%, at least 90%, at least 95%, at least 99% of the strands are aligned.

説明のための一例として、生体材料テンプレート(たとえば、木材テンプレート、植物
テンプレート等)により形成された固体ハイブリッド電解質が平面状の離散電極とともに
電池に用いられている場合、個々のストランドは、電極の一方または両方により規定され
た平面と大略垂直(たとえば、垂直)に整列しており、細孔も、電極の一方または両方に
より規定された平面と大略垂直(たとえば、垂直)に整列している。
As an illustrative example, when a solid hybrid electrolyte formed by a biomaterial template (e.g., a wood template, a plant template, etc.) is used in a battery with planar discrete electrodes, the individual strands are one of the electrodes. Or aligned generally perpendicular (eg, perpendicular) to the plane defined by both, and the pores are also aligned generally perpendicular (eg, perpendicular) to the plane defined by one or both of the electrodes.

種々例において、無機SSEのストランド(たとえば、ストランドの一部または全部)
は、生地(たとえば、織編生地、編組生地等)として配置される。無機SSEのストラン
ドは、無機SSEの作製に用いられる繊維テンプレートの一般的構造を取っていてもよい
。無機SSEの寸法は、繊維テンプレートの寸法より実質的に小さくてもよい。
In various examples, strands of inorganic SSE (e.g., some or all of the strands)
is arranged as a fabric (eg, woven fabric, braided fabric, etc.). The strands of inorganic SSE may adopt the general structure of fiber templates used to make inorganic SSE. The dimensions of the inorganic SSE may be substantially smaller than the dimensions of the fiber template.

説明のための一例として、炭素テンプレート(たとえば、繊維テンプレート等)により
形成された固体ハイブリッド電解質が平面状の離散電極とともに電池に用いられている場
合、無機SSEの個々のストランドは、電極の一方または両方により規定された平面と大
略平行(たとえば、平行)に整列しており、無機SSEの細孔は、電極の一方または両方
により規定された平面と垂直に整列している。
As an illustrative example, when a solid hybrid electrolyte formed by a carbon template (e.g., fiber template, etc.) is used in a battery with planar discrete electrodes, individual strands of inorganic SSE may Aligned generally parallel (eg, parallel) to the plane defined by both, the pores of the inorganic SSE are aligned perpendicular to the plane defined by one or both of the electrodes.

種々例において、無機固体電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)を構成するテ
ンプレーティング法は、
テンプレートを1つまたは複数のSSE材料前駆体と接触させることと、
任意選択として、SSE材料前駆体を反応させて、(たとえば、少なくとも一部または
全部が反応および/または分解したSSE材料前駆体を含む)固体無機材料を形成するこ
とと、
テンプレートを固体無機材料で熱処理することであり、テンプレートが(たとえば、二
酸化炭素として)除去され、無機SSE(たとえば、モノリシックSSEまたはメソ多孔
質体もしくはF/S SSE)が形成される、ことと、
焼成テンプレートをポリマー材料と接触させて、モノリシックSSEまたはメソ多孔質
体の場合に、無機SSE材料上に層を形成する(および任意選択として、無機SSE材料
の表面上に露出した細孔の少なくとも一部または全部を満たす)か、または、F/S S
SEの場合に、ポリマー材料がF/S SSEの細孔(たとえば、テンプレートに対応す
る細孔)の少なくとも一部または全部を満たす、ことと、
を含む。
In various examples, templating methods for constructing inorganic solid electrolytes (e.g., solid state hybrid electrolytes) include:
contacting the template with one or more SSE material precursors;
optionally reacting the SSE material precursor to form a solid inorganic material (eg, comprising at least partially or wholly reacted and/or decomposed SSE material precursor);
heat treating the template with a solid inorganic material to remove the template (e.g. as carbon dioxide) and form an inorganic SSE (e.g. monolithic SSE or mesoporous or F/S SSE);
The fired template is contacted with a polymeric material to form a layer on the inorganic SSE material in the case of a monolithic SSE or mesoporous body (and optionally at least one of the pores exposed on the surface of the inorganic SSE material). part or all) or F/S S
in the case of SE, the polymeric material fills at least some or all of the pores of the F/S SSE (e.g., pores corresponding to the template);
including.

種々例において、無機固体電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)を形成するテ
ンプレーティング法は、
生体材料テンプレートを1つまたは複数のSSE材料前駆体(たとえば、1つまたは複
数の無機SSE材料ゾルゲル前駆体)と接触(たとえば、浸潤)させることであり、生体
材料テンプレート(たとえば、圧縮生体材料テンプレート)の整列チャネルのうちの1つ
、複数、または全部が、SSE材料前駆体で少なくとも部分的または完全に満たされる、
ことと、
任意選択として、(たとえば、加熱により)SSE材料前駆体充填テンプレートを反応
させて、(たとえば、少なくとも一部または全部が反応および/または分解した無機SS
E材料ゾルゲル前駆体を含む)固体無機材料を形成することと、
加熱したテンプレートを熱処理することであり、テンプレート材料の実質的にすべてま
たはすべてが除去され、無機SSE材料が形成される、ことと、
焼成テンプレートをポリマー材料と接触させることであり、ポリマー材料が無機SSE
のナノ細孔および/またはマイクロ細孔を少なくとも部分的に満たす、ことと、
を含む。
In various examples, a templating method of forming an inorganic solid electrolyte (e.g., a solid hybrid electrolyte) includes:
contacting (e.g., infiltrating) a biomaterial template with one or more SSE material precursors (e.g., one or more inorganic SSE material sol-gel precursors); ) are at least partially or completely filled with the SSE material precursor;
and
Optionally, the SSE material precursor-filled template is reacted (e.g., by heating) to (e.g., at least partially or fully reacted and/or decomposed inorganic SS
forming a solid inorganic material (including an E material sol-gel precursor);
heat treating the heated template to remove substantially all or all of the template material to form an inorganic SSE material;
contacting the sintered template with a polymeric material, wherein the polymeric material is an inorganic SSE
at least partially filling the nanopores and/or micropores of
including.

種々例において、無機固体電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)を構成するテ
ンプレーティング法は、
炭素テンプレートを1つまたは複数の無機SSE材料前駆体(たとえば、1つまたは複
数の金属塩)と接触させることと、
任意選択として、(たとえば、加熱により)炭素テンプレート接触炭素テンプレートを
反応させて、固体無機材料(たとえば、無機材料の複数のナノ粒子)を形成することと、
テンプレートを熱処理することであり、テンプレート材料の実質的にすべてまたはすべ
てが除去され、無機SSE材料が形成される、ことと、
無機SSEをポリマー材料と接触(たとえば、浸潤)させることであり、ポリマー材料
がテンプレートのナノ細孔および/またはマイクロ細孔を少なくとも部分的に満たす、こ
とと、
を含む。
In various examples, templating methods for constructing inorganic solid electrolytes (e.g., solid state hybrid electrolytes) include:
contacting the carbon template with one or more inorganic SSE material precursors (e.g., one or more metal salts);
optionally reacting (e.g., by heating) the carbon template-contacting carbon template to form a solid inorganic material (e.g., a plurality of nanoparticles of the inorganic material);
heat treating the template to remove substantially all or all of the template material to form an inorganic SSE material;
contacting (e.g., infiltrating) the inorganic SSE with a polymeric material, which at least partially fills the nanopores and/or micropores of the template;
including.

さまざまなテンプレートを使用可能である。テンプレートは、ポリマー(たとえば、生
物学的に誘導されたポリマー(たとえば、セルロース、タンパク繊維等)、人工ポリマー
(たとえば、PET、たとえばナイロン等のポリアミド、たとえばレーヨン等の再生セル
ロース、ポリエステル等))により形成される。テンプレートは、相互接続されたナノス
ケールおよび/またはマイクロスケールのボイドを含む階層型相互接続構造を有していて
もよい。たとえば、テンプレートは、低ねじれテンプレート(たとえば、木材テンプレー
トにより形成された低ねじれテンプレート)である。テンプレートとしては、生物材料(
たとえば、木材、植物等)または人工テンプレートが可能であり、これらは、たとえばテ
ープキャスト、スクリーン印刷、押し出し、3D印刷、製織、編組、非織編法等の方法に
より形成可能である。これらの方法においては、テンプレートのすべてまたは実質的にす
べてが除去される(すなわち、犠牲テンプレートである)。たとえば、テンプレートは、
熱処理により除去される。
Various templates are available. The template is made of a polymer (e.g., biologically derived polymer (e.g., cellulose, protein fibers, etc.), artificial polymer (e.g., PET, polyamide such as nylon, regenerated cellulose such as rayon, polyester, etc.). It is formed. The template may have a hierarchical interconnect structure including interconnected nanoscale and/or microscale voids. For example, the template is a low-twist template (eg, a low-twist template formed by a wood template). As a template, biological materials (
wood, plants, etc.) or artificial templates, which can be formed by methods such as tape casting, screen printing, extrusion, 3D printing, weaving, braiding, non-woven knitting, and the like. In these methods, all or substantially all of the template is removed (ie, sacrificial template). For example, the template
It is removed by heat treatment.

さまざまな炭素テンプレートを使用可能である。炭素テンプレートの例としては、繊維
テンプレート、紙テンプレート、発泡体テンプレート等が挙げられるが、これらに限定さ
れない。炭素テンプレートは、繊維であってもよい。種々例において、繊維は、生地であ
る。生地は、さまざまな織込、編組等を含んでいてもよいし、非織編であってもよい。織
編生地の場合、当該織編生地は、如何なる織込パターンのものであってもよい。
A variety of carbon templates are available. Examples of carbon templates include, but are not limited to, fiber templates, paper templates, foam templates, and the like. A carbon template may be a fiber. In various examples, the fibers are textiles. The fabric may include various weaves, braids, etc., or may be non-woven. In the case of woven fabrics, the woven fabrics may be of any weave pattern.

さまざまな生体材料テンプレートを使用可能である。生体材料テンプレートは、木材テ
ンプレート、植物テンプレート等であってもよい。
A variety of biomaterial templates are available. The biomaterial template may be a wood template, a plant template, or the like.

さまざまな木材および植物テンプレートを使用可能である。木材または植物テンプレー
トは、複数のナノチャネルおよび/またはマイクロチャネルを含む。複数のナノチャネル
および/またはマイクロチャネルは、相互接続されて、少なくとも1つのノードを有する
3次元ネットワークを形成する。木材テンプレートは、圧縮木材テンプレートであっても
よい。通常、木材テンプレートは、F/S SSEの形成に適当なサイズおよび形状の木
材からリグニンの少なくとも一部または全部を除去することにより形成される。リグニン
の除去によって、複数の整列チャネル(たとえば、1nm~10ミクロン(両者間のすべ
ての整数nm値および範囲を含む)の断面サイズ(たとえば、直径等の最長寸法)を有す
るチャネル)を備えたテンプレート(たとえば、整列した多孔質ナノ構造を備えたテンプ
レート)が形成される。カン中でテンプレートを圧縮することによって、ナノチャネルお
よび/またはマイクロチャネルの断面を小さくすることができる。リグニンは、化学的処
理により除去可能である。好適な処理が当技術分野において知られている。たとえば、リ
グニンは、木材サンプルを塩基水溶液と接触させることにより除去される。木材テンプレ
ートは、たとえばアメリカボダイ樹、バルサ材等のさまざまな木材により形成可能である
A variety of wood and plant templates are available. A wood or plant template contains a plurality of nanochannels and/or microchannels. A plurality of nanochannels and/or microchannels are interconnected to form a three-dimensional network having at least one node. The wood template may be a compressed wood template. Wood templates are typically formed by removing at least some or all of the lignin from wood of a size and shape suitable for forming the F/S SSE. A template with a plurality of aligned channels (e.g., channels having a cross-sectional size (e.g., longest dimension such as diameter) from 1 nm to 10 microns, including all integer nm values and ranges therebetween, by removal of lignin) (eg, a template with aligned porous nanostructures) is formed. Compressing the template in the can can reduce the cross-section of the nanochannels and/or microchannels. Lignin can be removed by chemical treatment. Suitable treatments are known in the art. For example, lignin is removed by contacting a wood sample with an aqueous base solution. The wood template can be made from a variety of woods such as, for example, burdock, balsa wood, and the like.

無機SSEのファイバは、エレクトロスピニングにより形成可能である。好適なエレク
トロスピニング法が当技術分野において知られている。エレクトロスピニングは、当技術
分野において知られている方法により実行可能である。
Fibers of inorganic SSE can be formed by electrospinning. Suitable electrospinning methods are known in the art. Electrospinning can be performed by methods known in the art.

無機SSE材料前駆体は、反応(たとえば、少なくとも部分的または全体的な反応およ
び/または熱的な劣化)によって、たとえば前駆体のうちの1つまたは複数の固体無機材
料(たとえば、炭素ベースの残留物等の残留物を含み得る)を形成するようにしてもよい
。無機材料は、熱処理によって、無機SSE材料を提供するようにしてもよい。
Inorganic SSE material precursors are formed by reaction (e.g., at least partial or total reaction and/or thermal degradation) to, for example, one or more solid inorganic materials (e.g., carbon-based residuals) of the precursor. (which may include residues such as solids). The inorganic material may be heat treated to provide an inorganic SSE material.

種々例において、無機固体電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)を形成するエ
レクトロスピニング法は、
エレクトロスピニングポリマーおよび1つまたは複数の無機SSE前駆体材料を含む前
駆体溶液をエレクトロスピニングして、当該ポリマーおよび1つまたは複数の無機SSE
前駆体材料を含むナノファイバを用意することと、
ナノファイバを熱処理することであり、ナノファイバのポリマーのすべてまたは実質的
にすべてが除去され、無機SSE材料が形成される、ことと、
無機SSEをポリマー材料と接触させることであり、ポリマー材料が無機SSE材料の
空隙を少なくとも部分的に満たす、ことと、
を含む。
In various examples, an electrospinning method of forming an inorganic solid electrolyte (e.g., a solid hybrid electrolyte) includes:
electrospinning a precursor solution comprising an electrospun polymer and one or more inorganic SSE precursor materials to form the polymer and one or more inorganic SSE
providing nanofibers comprising a precursor material;
heat treating the nanofibers to remove all or substantially all of the polymer of the nanofibers to form an inorganic SSE material;
contacting the inorganic SSE with a polymeric material, wherein the polymeric material at least partially fills the voids of the inorganic SSE material;
including.

さまざまなエレクトロスピニングポリマーを使用可能である。好適なエレクトロスピニ
ングポリマーが当技術分野において知られている。エレクトロスピニングポリマーの非限
定的な例としては、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリアクリロニトリル(PAN)
、ポリ(エチレンオキシド)(PEO)、またはポリ塩化ビニル(PVC)等が挙げられ
る。
A variety of electrospun polymers are available. Suitable electrospinning polymers are known in the art. Non-limiting examples of electrospun polymers include polyvinylpyrrolidone (PVP), polyacrylonitrile (PAN)
, poly(ethylene oxide) (PEO), or polyvinyl chloride (PVC).

さまざまな無機SSE前駆体材料を使用可能である。無機SSE前駆体材料の非限定的
な例としては、ゾルゲル前駆体、金属塩等が挙げられる。SSE材料前駆体は、反応(た
とえば、加熱)に際して、所望の組成の無機SSEを提供する1つもしくは複数のゾルゲ
ル前駆体または1つもしくは複数の金属塩であってもよい。好適なゾルゲル前駆体および
ゾルゲル前駆体の組み合わせの例が当技術分野において知られている。好適な金属塩およ
び金属塩の組み合わせの例が当技術分野において知られている。種々例において、熱処理
には、無機SSE材料前駆体または反応した(たとえば、少なくとも一部または全部が反
応した)無機SSE材料前駆体の焼結および/または焼成を含む。
A variety of inorganic SSE precursor materials are available. Non-limiting examples of inorganic SSE precursor materials include sol-gel precursors, metal salts, and the like. The SSE material precursors may be one or more sol-gel precursors or one or more metal salts that upon reaction (eg, heating) provide an inorganic SSE of desired composition. Examples of suitable sol-gel precursors and sol-gel precursor combinations are known in the art. Examples of suitable metal salts and metal salt combinations are known in the art. In various examples, the heat treatment includes sintering and/or firing an inorganic SSE material precursor or a reacted (eg, at least partially or fully reacted) inorganic SSE material precursor.

熱処理によって、テンプレート材料が除去(たとえば、熱分解)される。熱処理によっ
て、テンプレートの少なくとも一部(たとえば、実質的に)または全部が除去されて、無
機SSEが提供される。種々例において、熱処理は、空気雰囲気または酸素を含む雰囲気
において700~1000℃で実行される。
The heat treatment removes (eg, pyrolyzes) the template material. The heat treatment removes at least a portion (eg, substantially) or all of the template to provide an inorganic SSE. In various examples, the heat treatment is performed at 700-1000° C. in an air atmosphere or an atmosphere containing oxygen.

一態様において、本開示は、本開示の固体ハイブリッド電解質の使用を提供する。固体
ハイブリッド電解質は、さまざまな機器において使用可能である。種々例において、機器
は、本開示の1つまたは複数の固体ハイブリッド電解質を備える。機器の例としては、電
解槽、電解セル、燃料電池、電池、および他の電気化学的機器(たとえば、センサ等)が
挙げられるが、これらに限定されない。
In one aspect, the present disclosure provides uses of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. Solid state hybrid electrolytes can be used in a variety of devices. In various examples, the device comprises one or more solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. Examples of devices include, but are not limited to, electrolyzers, electrolytic cells, fuel cells, batteries, and other electrochemical devices (eg, sensors, etc.).

機器は、電池であってもよい。電池は、イオン伝導性電池であってもよい。電池は、携
帯用途、輸送用途、固定エネルギー貯蔵用途等の用途向けに構成されていてもよい。イオ
ン伝導性電池の例としては、リチウムイオン伝導性電池、ナトリウムイオン伝導性電池、
マグネシウムイオン伝導性電池等が挙げられるが、これらに限定されない。
The device may be a battery. The battery may be an ion-conducting battery. The battery may be configured for applications such as portable applications, transportation applications, stationary energy storage applications, and the like. Examples of ion-conducting batteries include lithium ion-conducting batteries, sodium ion-conducting batteries,
Examples include, but are not limited to, magnesium ion conductive batteries and the like.

種々例において、電池(たとえば、固体イオン伝導性電池等のイオン伝導性電池)は、
本開示の固体ハイブリッド電解質、アノード、およびカソードを備え、固体ハイブリッド
電解質がアノードとカソードとの間に配設されている。一例において、固体ハイブリッド
電解質のポリマー材料は、固体ハイブリッド電解質の無機SSE材料とアノードおよび/
またはカソードとの間に配設されている。
In various examples, the battery (e.g., an ion-conducting battery such as a solid-state ion-conducting battery) comprises:
A solid hybrid electrolyte of the present disclosure, an anode, and a cathode, with the solid hybrid electrolyte disposed between the anode and the cathode. In one example, the polymer material of the solid state hybrid electrolyte is combined with the inorganic SSE material of the solid state hybrid electrolyte and the anode and/or
or the cathode.

無機SSE材料は、従来のイオン伝導性電池に使用可能である(たとえば、イオン伝導
性電池は、基本電解質としての電解質を含む)。従来のイオン伝導性電池は、非伝導性(
たとえば、非イオン伝導性)のセパレータを備える。このため、一例において、電池は、
本明細書に開示の無機SSE材料(たとえば、F/S SSEであって、テンプレーティ
ング無機SSEもしくはエレクトロスピニング無機SSEであってもよい)または本明細
書に開示の固体ハイブリッド電極(たとえば、F/S SSE)、および電解質を備える
。電解質は、当技術分野において知られている従来のイオン伝導性(たとえば、リチウム
イオン伝導性)電池に用いられる如何なる電解質であってもよい。従来の電池の電解質の
非限定的な例としては、たとえば有機液体、ゲル、ポリマー等の液体が挙げられる。種々
例において、液体電解質は、固体ハイブリッド電解質の一部(たとえば、固体ハイブリッ
ド電解質のゲルポリマー等のポリマー材料の一部)ではない。この場合、無機SSE材料
または固体ハイブリッド電極は、従来の電池のセパレータである。種々例において、無機
SSE材料または固体ハイブリッド電極は、従来の電池のセパレータを置き換える。従来
の電池に用いられる通常のセパレートと異なり、無機SSE材料または固体ハイブリッド
電極はいずれも、カソードおよびアノードを分離するとともに、イオン伝導性である。種
々例において、無機SSE材料または固体ハイブリッド電極は、従来の電池のイオン伝導
性セパレータである。さまざまな電極(たとえば、カソードおよびアノード)を使用可能
である。個々の電極(たとえば、カソードおよび/またはアノード)は、固体ハイブリッ
ド電解質からの独立(たとえば、分離)も可能であるし(たとえば、平面状電極)、固体
ハイブリッド電解質との一体化も可能である。一体化電極の場合、固体ハイブリッド電解
質(たとえば、モノリシックSSEまたはメソ多孔質SSE体)は、当該固体ハイブリッ
ド電解質の表面に露出した1つまたは複数の多孔質領域を有し、固体ハイブリッド電解質
の離散多孔質領域の細孔に配設された電極材料(たとえば、カソード材料および/または
アノード材料)により電極が形成される。
Inorganic SSE materials can be used in conventional ion-conducting batteries (eg, ion-conducting batteries include electrolytes as the base electrolyte). Conventional ion-conducting batteries are non-conducting (
For example, a non-ionically conductive separator. Thus, in one example, the battery
Inorganic SSE materials disclosed herein (e.g., F/S SSEs, which may be templated inorganic SSEs or electrospun inorganic SSEs) or solid state hybrid electrodes disclosed herein (e.g., F/SSEs) S SSE), and an electrolyte. The electrolyte can be any electrolyte used in conventional ion-conducting (eg, lithium ion-conducting) batteries known in the art. Non-limiting examples of conventional battery electrolytes include liquids such as organic liquids, gels, polymers, and the like. In various examples, the liquid electrolyte is not part of a solid hybrid electrolyte (eg, part of a polymeric material such as a gel polymer of a solid hybrid electrolyte). In this case, the inorganic SSE material or the solid state hybrid electrode is the conventional battery separator. In various examples, inorganic SSE materials or solid state hybrid electrodes replace conventional battery separators. Unlike the usual separators used in conventional batteries, either the inorganic SSE material or the solid state hybrid electrode separates the cathode and anode and is ionically conductive. In various examples, inorganic SSE materials or solid state hybrid electrodes are conventional battery ion-conducting separators. Various electrodes (eg, cathode and anode) can be used. Individual electrodes (eg, cathode and/or anode) can be independent (eg, separate) from the solid hybrid electrolyte (eg, planar electrodes) or can be integrated with the solid hybrid electrolyte. For integrated electrodes, a solid hybrid electrolyte (e.g., a monolithic SSE or mesoporous SSE body) has one or more porous regions exposed at the surface of the solid hybrid electrolyte, and discrete porosity of the solid hybrid electrolyte. An electrode is formed by the electrode material (eg, cathode material and/or anode material) disposed in the pores of the porous region.

カソードおよびアノードは、さまざまな材料(たとえば、それぞれカソード材料または
アノード材料)により形成可能である。好適なカソード材料およびアノード材料の例が当
技術分野において知られている。
Cathodes and anodes can be formed from a variety of materials (eg, cathodic or anodic materials, respectively). Examples of suitable cathode and anode materials are known in the art.

カソードは、固体ハイブリッド電解質と電気的に接触した1つまたは複数のカソード材
料を含む。さまざまなカソード材料を使用可能である。カソード材料の組み合わせが用い
られるようになっていてもよい。たとえば、カソード材料は、インターカレーション等の
メカニズムによりイオンを格納するイオン伝導性材料またはイオンと反応して2次相(た
とえば、空気または硫化物電極)を形成するイオン伝導性材料である。好適なカソード材
料の例が当技術分野において知られている。
The cathode includes one or more cathode materials in electrical contact with a solid hybrid electrolyte. A variety of cathode materials can be used. Combinations of cathode materials may be used. For example, the cathode material is an ionically conductive material that stores ions by a mechanism such as intercalation or that reacts with ions to form a secondary phase (eg, air or sulfide electrodes). Examples of suitable cathode materials are known in the art.

一体化カソードの場合、カソード材料は、固体ハイブリッド電解質の多孔質領域の表面
(たとえば、細孔のうちの1つの細孔表面)の少なくとも一部に配設される。カソード材
料は、イオン伝導性固体電解質材料の多孔質領域または複数の多孔質領域のうちの1つの
1つまたは複数の細孔(たとえば、細孔の大部分)を少なくとも部分的に満たしていても
よい。一例において、カソード材料は、イオン伝導性固体電解質材料の多孔質領域の細孔
の少なくとも一部に浸潤している。
In the case of an integrated cathode, the cathode material is disposed on at least a portion of the surface of the porous region (eg, the pore surface of one of the pores) of the solid hybrid electrolyte. The cathode material may at least partially fill one or more pores (e.g., a majority of the pores) of one of the porous region or regions of the ion-conducting solid electrolyte material. good. In one example, the cathode material infiltrates at least some of the pores of the porous region of the ionically conductive solid electrolyte material.

一例において、カソード材料は、多孔質SSE材料の多孔質領域のカソード側の細孔表
面の少なくとも一部に配設され、SSE材料の多孔質領域のカソード側は、アノード材料
が配設される多孔質SSE材料の多孔質領域のアノード側と対向する。
In one example, the cathode material is disposed on at least a portion of the pore surfaces on the cathode side of the porous region of the porous SSE material, and the cathode side of the porous region of the SSE material is a porous material on which the anode material is disposed. It faces the anode side of the porous region of pure SSE material.

種々例において、カソードは、導電性炭素材料を含む。炭素材料の非限定的な例として
は、グラファイト、硬質炭素、多孔質中空カーボン球およびチューブ等が挙げられる。カ
ソード材料は、有機またはゲルイオン伝導性電解質をさらに含んでいてもよい。好適な有
機またはゲルイオン伝導性電解質が当技術分野において知られている。
In various examples, the cathode includes a conductive carbon material. Non-limiting examples of carbon materials include graphite, hard carbon, porous hollow carbon spheres and tubes, and the like. Cathode materials may further include organic or gel ion-conducting electrolytes. Suitable organic or gel ion-conducting electrolytes are known in the art.

イオン伝導性カソード材料の一部として、導電性材料を使用するのが望ましいことがあ
る。また、一例において、イオン伝導性カソード材料は、導電性炭素材料(たとえば、グ
ラフェンまたはカーボンブラック)を含み、任意選択として、有機またはゲルイオン伝導
性電解質をさらに含む。導電性材料は、イオン伝導性カソード材料と別個であってもよい
。たとえば、導電性材料(たとえば、グラフェン、カーボンナノチューブ等)は、イオン
伝導性SSE電解質材料の多孔質領域の表面(たとえば、細孔表面)の少なくとも一部に
配設され、イオン伝導性カソード材料は、導電性材料(たとえば、グラフェン、カーボン
ナノチューブ等)の少なくとも一部に配設される。
It may be desirable to use an electrically conductive material as part of the ionically conductive cathode material. Also, in one example, the ion-conducting cathode material comprises a conductive carbon material (eg, graphene or carbon black) and optionally further comprises an organic or gel ion-conducting electrolyte. The electrically conductive material may be separate from the ionically conductive cathode material. For example, an electrically conductive material (e.g., graphene, carbon nanotubes, etc.) is disposed on at least a portion of the surface (e.g., pore surface) of the porous region of the ionically conductive SSE electrolyte material, and the ionically conductive cathode material is , is disposed on at least a portion of a conductive material (eg, graphene, carbon nanotubes, etc.).

他の種々例において、カソードは、硫黄含有材料を含む。一例において、カソード材料
は、有機硫化物または多硫化物である。有機硫化物の例としては、カルビンポリスルフィ
ドおよび共重合硫黄が挙げられる。硫黄含有材料の非限定的な例としては、硫黄、硫黄複
合材料(たとえば、カルビンポリスルフィド、共重合硫黄等)、および多硫化物材料等が
挙げられる。
In various other examples, the cathode includes a sulfur-containing material. In one example, the cathode material is an organic sulfide or polysulfide. Examples of organic sulfides include carbyne polysulfides and copolymerized sulfur. Non-limiting examples of sulfur-containing materials include sulfur, sulfur composites (eg, carbyne polysulfides, copolymerized sulfur, etc.), polysulfide materials, and the like.

一例において、カソードは、空気電極である。空気電極に適した材料の例としては、た
とえば大表面積の炭素粒子(たとえば、導電性カーボンブラックであるSuper P)
およびメッシュ(たとえば、PVDFバインダ等のポリマーバインダ)に結合された触媒
粒子(たとえば、α-MnOナノロッド)等、空気カソードを備えたリチウムイオン電
池等のイオン伝導性電池に用いられる材料が挙げられる。
In one example, the cathode is an air electrode. Examples of suitable materials for the air electrode include, for example, high surface area carbon particles (eg Super P, a conductive carbon black)
and catalyst particles (e.g. α- MnO2 nanorods) bound to a mesh (e.g. a polymer binder such as a PVDF binder) used in ion-conducting batteries such as lithium-ion batteries with air cathodes. .

カソード材料は、リチウムイオン伝導性材料であってもよい。リチウムイオン伝導性カ
ソード材料の非限定的な例としては、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(たとえ
ば、NMC、LiNiMnCo(ただし、x+y+z=1であり、たとえばL
i(NiMnCo)1/3等))、LiCoO、LiNi1/3Co1/3Mn
/3、LiNi0.5Co0.2Mn0.3、リチウムマンガン酸化物(LMO
)(たとえば、LiMnおよびLiNi0.5Mn1.5)、リチウムリン酸
鉄(LFP)(たとえば、LiFePO)、LiMnPO、LiCoPO、および
LiMMn(ただし、MはFe、Co等から選択される)が挙げられる。
The cathode material may be a lithium ion conducting material. Non-limiting examples of lithium ion conductive cathode materials include lithium nickel manganese cobalt oxide (e.g., NMC, LiNixMnyCozO2 , where x+y+ z =1, e.g., L
i(NiMnCo) 1/3 O 2 etc.)), LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1
/3O2 , LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 , lithium manganese oxide ( LMO
) (e.g. LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ), lithium iron phosphate (LFP) (e.g. LiFePO 4 ), LiMnPO 4 , LiCoPO 4 and Li 2 MMn 3 O 8 (where , M is selected from Fe, Co, etc.).

カソード材料は、ナトリウムイオン伝導性材料であってもよい。ナトリウムイオン伝導
性カソード材料の非限定的な例としては、Na、P2-Na2/3Fe1/2
Mn1/2、Na(PO、NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO
、およびNa2/3Fe1/2Mn1/2@グラフェン複合材等の複合材料(たとえ
ば、カーボンブラックを含む複合材)が挙げられる。
The cathode material may be a sodium ion-conducting material. Non-limiting examples of sodium ion conducting cathode materials include Na 2 V 2 O 5 , P2-Na 2/3 Fe 1/2
Mn1 / 2O2 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , NaMn1 / 3Co1 / 3Ni1 / 3PO4
, and Na 2/3 Fe 1/2 Mn 1/2 O 2 @graphene composites (eg, composites containing carbon black).

カソード材料は、マグネシウムイオン伝導性材料であってもよい。マグネシウムイオン
伝導性カソード材料の非限定的な例としては、ドープマンガン酸化物(たとえば、Mg
MnOO)、Mg1+x(Al,Ti)(PO(ただし、xは4また
は5)、NASICON型マグネシウムイオン伝導性材料等が挙げられる。
The cathode material may be a magnesium ion-conducting material. Non-limiting examples of magnesium ion-conducting cathode materials include doped manganese oxides (e.g., Mg x
MnO 2 · y H 2 O), Mg 1+x (Al, Ti) 2 (PO 4 ) 6 (where x is 4 or 5), NASICON type magnesium ion conductive materials, and the like.

アノードは、固体ハイブリッド電解質の多孔質領域と電気的に接触した1つまたは複数
のアノード材料を含む。たとえば、アノード材料は、固体電解質中を伝導するイオンの金
属形態(たとえば、リチウムイオン電池の金属リチウム)または伝導イオンを挿入する化
合物(たとえば、リチウムイオン電池の炭化リチウム、LiC)である。好適なアノー
ド材料の例が当技術分野において知られている。
The anode includes one or more anode materials in electrical contact with the porous region of the solid hybrid electrolyte. For example, the anode material is a metallic form of ions that conduct in a solid electrolyte (eg, metallic lithium in lithium ion batteries) or a compound that inserts conducting ions (eg, lithium carbide, Li 6 C in lithium ion batteries). Examples of suitable anode materials are known in the art.

一体化アノードの場合、アノード材料は、固体ハイブリッド電解質の多孔質領域の表面
(たとえば、細孔のうちの1つの細孔表面)の少なくとも一部に配設される。アノード材
料は、固体ハイブリッド電解質の多孔質領域の1つまたは複数の細孔(たとえば、細孔の
大部分)を少なくとも部分的に満たしていてもよい。一例において、アノード材料は、固
体ハイブリッド電解質の多孔質領域の細孔の少なくとも一部に浸潤している。
In the case of an integrated anode, the anode material is disposed on at least a portion of the surface of the porous region of the solid hybrid electrolyte (eg, the pore surface of one of the pores). The anode material may at least partially fill one or more pores (eg, a majority of the pores) of the porous region of the solid hybrid electrolyte. In one example, the anode material infiltrates at least some of the pores of the porous region of the solid hybrid electrolyte.

一例において、アノード材料は、固体ハイブリッド電解質のアノード側多孔質領域の細
孔表面の少なくとも一部に配設され、固体ハイブリッド電解質のアノード側は、カソード
材料が配設される固体ハイブリッド電解質のカソード側と対向する。
In one example, the anode material is disposed on at least a portion of the pore surfaces of the anode-side porous region of the solid hybrid electrolyte, the anode side of the solid hybrid electrolyte being the cathode side of the solid hybrid electrolyte in which the cathode material is disposed. Oppose.

種々例において、アノードは、導電性炭素材料を含む(または、導電性炭素材料から成
る)。炭素材料の非限定的な例としては、グラファイト、硬質炭素、多孔質中空カーボン
球およびチューブ等が挙げられる。アノード材料は、有機またはゲルイオン伝導性電解質
をさらに含んでいてもよい。好適な有機またはゲルイオン伝導性電解質が当技術分野にお
いて知られている。
In various examples, the anode includes (or consists of) a conductive carbon material. Non-limiting examples of carbon materials include graphite, hard carbon, porous hollow carbon spheres and tubes, and the like. The anode material may further comprise an organic or gel ion-conducting electrolyte. Suitable organic or gel ion-conducting electrolytes are known in the art.

アノード材料は、導電性材料であってもよい。導電性材料の非限定的な例としては、導
電性炭素材料、スズおよびその合金、スズ/炭素、スズ/コバルト合金、シリコン/炭素
材料等が挙げられる。導電性炭素材料の非限定的な例としては、グラファイト、硬質炭素
、多孔質中空カーボン球およびチューブ(たとえば、カーボンナノチューブ)等が挙げら
れる。
The anode material may be an electrically conductive material. Non-limiting examples of electrically conductive materials include electrically conductive carbon materials, tin and its alloys, tin/carbon, tin/cobalt alloys, silicon/carbon materials, and the like. Non-limiting examples of conductive carbon materials include graphite, hard carbon, porous hollow carbon spheres and tubes (eg, carbon nanotubes), and the like.

アノードは、金属であってもよい。金属の非限定的な例としては、リチウム金属、ナト
リウム金属、マグネシウム金属等が挙げられる。
The anode may be metal. Non-limiting examples of metals include lithium metal, sodium metal, magnesium metal, and the like.

アノード材料は、リチウム含有材料であってもよい。リチウム含有材料の非限定的な例
としては、リチウム金属、炭化リチウム、LiC、およびチタン酸リチウム(LTO)
(たとえば、LiTi12等)が挙げられる。
The anode material may be a lithium-containing material. Non-limiting examples of lithium-containing materials include lithium metal, lithium carbide, Li6C , and lithium titanate (LTO).
(eg, Li 4 Ti 5 O 12 , etc.).

アノード材料は、ナトリウム含有材料であってもよい。アノード材料の非限定的な例と
しては、ナトリウム金属、NaおよびNa0.66Li0.22Ti0.
78等のイオン伝導性ナトリウム含有アノード材料が挙げられる。
The anode material may be a sodium-containing material. Non-limiting examples of anode materials include sodium metal , Na2C8H4O4 and Na0.66Li0.22Ti0 .
Ionically conductive sodium-containing anode materials such as 78 O 2 are included.

アノード材料は、マグネシウム含有材料であってもよい。一例において、アノード材料
は、マグネシウム金属である。
The anode material may be a magnesium containing material. In one example, the anode material is magnesium metal.

電池は、集電体を備えていてもよい。たとえば、電池は、固体ハイブリッド電解質のカ
ソード側に配設されたカソード側(第1)の集電体と、固体ハイブリッド電解質のアノー
ド側に配設されたアノード側(第2)の集電体とを備える。集電体はそれぞれ、金属(た
とえば、アルミニウム、銅、もしくはチタン)または金属合金(アルミニウム合金、銅合
金、もしくはチタン合金)で独立して作製される。
The battery may comprise a current collector. For example, the battery includes a cathode-side (first) current collector disposed on the cathode side of the solid hybrid electrolyte and an anode-side (second) current collector disposed on the anode side of the solid hybrid electrolyte. Prepare. Each current collector is independently made of a metal (eg, aluminum, copper, or titanium) or metal alloy (aluminum alloy, copper alloy, or titanium alloy).

電池は、種々付加的な構造要素(たとえば、バイポーラ板、外部パッケージ、ワイヤを
接続する電気接点/リード等)を備えていてもよい。一例において、電池は、バイポーラ
板をさらに備える。種々例において、電池は、バイポーラ板および外部パッケージ、なら
びにワイヤを接続する電気接点/リードをさらに備える。一例において、繰り返しの電池
セルユニットは、バイポーラ板により分離されている。
The battery may include various additional structural elements (eg, bipolar plates, external packaging, electrical contacts/leads connecting wires, etc.). In one example, the battery further comprises bipolar plates. In various examples, the battery further comprises electrical contacts/leads connecting the bipolar plates and the outer package, as well as the wires. In one example, repeating battery cell units are separated by bipolar plates.

固体ハイブリッド電解質、カソード、アノード、カソード側(第1)の集電体(存在す
る場合)、およびアノード側(第2)の集電体(存在する場合)がセルを形成していても
よい。電池は、1つまたは複数のバイポーラ板により分離された複数のセルを備えていて
もよい。電池中のセルの数は、電池の性能要件(たとえば、電圧出力)によって決まり、
作製上の制約事項による制限のみを受ける。たとえば、固体イオン伝導性電池は、1~5
00個のセル(両者間のすべての整数セル数および範囲を含む)を備える。
A solid hybrid electrolyte, a cathode, an anode, a cathode-side (first) current collector (if present), and an anode-side (second) current collector (if present) may form a cell. A battery may comprise multiple cells separated by one or more bipolar plates. The number of cells in a battery is determined by the battery's performance requirements (e.g. voltage output),
Limited only by fabrication constraints. For example, solid state ion-conducting batteries have
00 cells (including all integer cell numbers and ranges between them).

本明細書に開示の種々実施形態および例に記載の方法のステップは、本開示の方法を実
行するのに十分である。これにより、一例において、方法は本質的に、本明細書に開示の
方法のステップの組み合わせから成る。別の例において、方法は、このようなステップか
ら成る。
The method steps described in the various embodiments and examples disclosed herein are sufficient to carry out the method of the present disclosure. Thus, in one example, the method consists essentially of a combination of method steps disclosed herein. In another example, a method consists of such steps.

以下のステートメントは、本開示の固体ハイブリッド電解質およびその使用の例を提供
する。
ステートメント1.本明細書に開示の(または、本明細書に開示の無機SSE材料を含
む)SSE(たとえば、無機(たとえば、セラミック)SSE)と、
固体電解質(たとえば、固体電解質材料)の外面の少なくとも一部または全部に配設さ
れた本明細書に開示のポリマー材料と、
を含む、ハイブリッド電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)。
ステートメント2.SSE材料が、本明細書に開示のモノリシック(たとえば、多孔質
モノリシック、高密度モノリシック)SSE体またはメソ多孔質SSE体である、ステー
トメント1に記載のハイブリッド電解質(メソ多孔質SSE体材料の例としては、高密度
SSE材料層上に配設された1つまたは複数の多孔質SSE材料層を含む二層および三層
材料が挙げられる)。
ステートメント3.SSE材料が、ディスク、シート、または多面体である(たとえば
、多面体形状を有する)、ステートメント1または2に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント4.ポリマー材料が、1つまたは複数の点において、10nm~10ミ
クロン(たとえば、5~10ミクロン)の厚さを有する、ステートメント1~3のいずれ
か一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント5.SSEが、複数のファイバまたはストランド(たとえば、複数の非
織編ストランドまたは複数の織編ストランド)を含む、ステートメント1~4のいずれか
一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント6.ファイバが、織編基板として存在する、ステートメント5に記載の
ハイブリッド電解質。
ステートメント7.ファイバが、ランダムに配置または配列された、ステートメント5
または6に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント8.ポリマー材料のファイバまたはストランドが、相互接続3Dネット
ワークを形成する、ステートメント5~7のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント9.SSE材料が、リチウムイオン伝導性(たとえば、リチウムイオン
含有)SSE材料、ナトリウムイオン伝導性(たとえば、ナトリウムイオン含有)SSE
材料、またはマグネシウムイオン伝導性(たとえば、マグネシウムイオン含有)SSE材
料を含む、ステートメント1~8のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント10.リチウムイオン伝導性SSE材料が、リチウムペロブスカイト材
料、LiN、Li-β-アルミナ、リチウム超イオン伝導体(LISICON)、Li
2.88PO3.860.14(LiPON)、LiAlSiO、Li10GeP
12、リチウムガーネット材料、ドープリチウムガーネット材料、リチウムガーネッ
ト複合材料、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される、ステートメント9に
記載のハイブリッド電解質。
ステートメント11.リチウムガーネット材料が、カチオンドープLiLa
12(ただし、MはNb、Zr、Ta、またはこれらの組み合わせ)、カチオンドー
プLiLaBaTa12、カチオンドープLiLaZr12、およびカ
チオンドープLiBaY 12(ただし、MはNb、Zr、Ta、またはこ
れらの組み合わせ)であり、カチオンドーパントが、バリウム、イットリウム、亜鉛、ま
たはこれらの組み合わせである、ステートメント10に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント12.リチウムガーネット材料が、LiLaNb12、Li
LaTa12、LiLaZr12、LiLaSrNb12、Li
LaBaNb12、LiLaSrTa12、LiLaBaTa
12、LiZr12、Li6.4Zr1.4Ta0.612、Li6.
La2.5Ba0.5TaZrO12、LiBaY 12、LiZr
12、Li6.75BaLaNb1.75Zn0.2512、Li6.75Ba
LaTa1.75Zn0.2512、およびこれらの組み合わせである、ステートメ
ント10に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント13.ナトリウムイオン伝導性SSE材料が、β”-Al、Na
ZrSiPO12(NASICON)、カチオンドープNASICON、およびこ
れらの組み合わせから成る群から選択される、ステートメント9に記載のハイブリッド電
解質。
ステートメント14.マグネシウムイオン伝導性SSE材料が、Mg1+x(Al,T
i)(PO(ただし、xは4または5)、NASICON型マグネシウムイオン
伝導性材料、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される、ステートメント9に
記載のハイブリッド電解質。
ステートメント15.無機SSEが、当該無機SSEの外面に露出した細孔を有し、当
該ハイブリッド電解質が、細孔の少なくとも一部に配設された少なくとも1つのカソード
材料および/または少なくとも1つのアノード材料をさらに含み、少なくとも1つのカソ
ード材料および少なくとも1つのアノード材料が細孔の少なくとも一部に配設される場合
、少なくとも1つのカソード材料および少なくとも1つのアノード材料が、無機SSEの
離散かつ電気的に分離された領域に配設される、ステートメント1~14のいずれか一項
に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント16.ポリマー材料が、ポリ(エチレン)(PE)、ポリ(エチレンオ
キシド)(PEO)、ポリ(プロピレン)(PP)、ポリ(プロピレンオキシド)、ポリ
メチルメタクリレート(PMMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ[ビス(メ
トキシエトキシエトキシド)-ホスファゼン]、ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS
)、セルロース、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、
ポリ二フッ化ビニリデン(PVdF)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリスチレン
、スルホン酸塩(PSS)、ポリ塩化ビニル(PVC)群、ポリ(塩化ビニリデン)ポリ
プロピレンオキシド、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン(たとえば、テフロ
ン(登録商標))、ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)、ポリイミド、ポリヒド
ロキシアルカノエート(PHA)、PEO含有共重合体(たとえば、ポリスチレン(PS
)-PEO共重合体およびポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)-PEO共重合体
)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(アクリロニトリル-メチルアクリレート共
重合体)、PVdF含有共重合体(たとえば、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプ
ロピレン共重合体(PVdF-HFP共重合体))、PMMA共重合体(たとえば、ポリ
(メチルメタクリレート-エチルアクリレート共重合体))、これらの誘導体、およびこ
れらの組み合わせから成る群から選択されるポリマーを含む(たとえば、そのようなポリ
マーである)、ステートメント1~15のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント17.ポリマー材料が、ゲル(たとえば、ポリマー材料の総重量に基づ
いて、60~80wt%の液体を含むゲル)である、ステートメント1~16のいずれか
一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント18.液体が、液体電解質(たとえば、エチレンカーボネート(EC)
/ジエチルカーボネート(DEC)中のLiPF(たとえば、1M)、ジメトキシエタ
ン(DME)/ジオキソラン(DOL)中のLiTFSI(たとえば、1M)、N-プロ
ピル-N-メチルピロリジニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PY
13TFSI)イオン液体中のLiTFSI(たとえば、0.5M)等の非水液体電解
質)である、ステートメント1~17のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント19.ゲルのポリマー材料が、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポ
リフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF-HFP共重合体)
、ポリビニルピロリドン(PVP)、PEO、PMMA、PAN、ポリスチレン(PS)
、ポリエチレン(PE)、およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるポリマー
を含む(たとえば、そのようなポリマーである)、ステートメント17または18に記載
のハイブリッド電解質。
ステートメント20.ポリマー材料が、金属塩(たとえば、リチウム塩、ナトリウム塩
、マグネシウム塩等から成る群から選択される金属塩)を含む、ステートメント1~19
のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント21.ポリマー材料が、セラミックフィラー(たとえば、ポリマー材料
の総重量に基づいて、2~25wt%)を含む、ステートメント1~20のいずれか一項
に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント22.セラミックフィラーが、導電性粒子、非導電性粒子(たとえば、
Al、SiO、TiOナノ粒子等)、セラミックナノ材料(たとえば、セラミ
ックナノ粒子、セラミックナノファイバ)から成る群から選択される、ステートメント2
1に記載のハイブリッド電解質。
ステートメント23.本開示の1つまたは複数のハイブリッド電解質(たとえば、ステ
ートメント1~22のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質)を備えた、機器。
ステートメント24.本開示のハイブリッド電解質(たとえば、ステートメント1~2
2のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質)と、
アノードと、
カソードと、
を備え、
ハイブリッド電解質が、カソードとアノードとの間に配設された(たとえば、ハイブリ
ッド電解質のポリマー材料が、ハイブリッド電解質のSSE材料とアノードおよび/また
はカソードとの間に配設された(たとえば、ハイブリッド電解質のSSE材料とアノード
および/またはカソードとの間の空隙を実質的にすべて満たす))、電池(たとえば、固
体イオン伝導性電池等のイオン伝導性電池)である、ステートメント23に記載の機器。
ステートメント25.電池が、カソードおよび/またはアノードの少なくとも一部に配
設された集電体をさらに備えた、ステートメント24に記載の機器。
ステートメント26.集電体が、導電性の金属または金属合金である、ステートメント
25に記載の機器。
ステートメント27.電池が、リチウムイオン伝導性固体電池であり、ハイブリッド電
解質が、リチウムイオン伝導性(たとえば、リチウム含有)SSE材料(たとえば、ステ
ートメント11~13のいずれか一項に記載のリチウム伝導性(たとえば、リチウム含有
)SSE材料)である、ステートメント24~26のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント28.電池が、ナトリウムイオン伝導性固体電池であり、ハイブリッド
電解質が、ナトリウムイオン伝導性(たとえば、ナトリウム含有)SSE材料(たとえば
、ステートメント14に記載のナトリウムイオン伝導性(たとえば、ナトリウム含有)S
SE材料)である、ステートメント24~26のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント29.電池が、マグネシウムイオン伝導性固体電池であり、ハイブリッ
ド電解質が、マグネシウムイオン伝導性(たとえば、マグネシウム含有)SSE材料(た
とえば、ステートメント15に記載のマグネシウムイオン伝導性(たとえば、マグネシウ
ム含有)SSE材料)である、ステートメント24~26のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント30.カソードおよび/またはアノードが、導電性炭素材料(たとえば
、グラファイト、硬質炭素、多孔質中空カーボン球およびチューブ等)を含み、カソード
材料が任意選択として、有機またはゲルイオン導電性電解質をさらに含む、ステートメン
ト24~29のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント31.カソードが、硫黄、硫黄複合材料(たとえば、カルビンポリスル
フィド、共重合硫黄等)、および多硫化物材料から選択される材料を含むか、または、空
気である、ステートメント24~29のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント32.カソード(たとえば、リチウムイオン伝導性、リチウム含有カソ
ード)が、リチウム含有材料から成る群から選択される材料を含む、ステートメント27
に記載の機器。
ステートメント33.リチウム含有カソード材料が、リチウムニッケルマンガンコバル
ト酸化物(たとえば、NMC、LiNiMnCo(ただし、x+y+z=1で
あり、たとえばLi(NiMnCo)1/3等))、LiCoO、LiNi1/3
Co1/3Mn1/3、LiNi0.5Co0.2Mn0.3、リチウムマンガ
ン酸化物(LMO)(たとえば、LiMnおよびLiNi0.5Mn1.5
、リチウムリン酸鉄(LFP)(たとえば、LiFePO)、LiMnPO、LiC
oPO、およびLiMMn(ただし、MはFe、Co、およびこれらの組み合
わせから選択される)から成る群から選択される、ステートメント32に記載の機器。
ステートメント34.カソード(たとえば、ナトリウムイオン伝導性、ナトリウム含有
カソード)が、ナトリウム含有カソード材料から成る群から選択される材料を含む、ステ
ートメント28に記載の機器。
ステートメント35.ナトリウム含有カソード材料が、Na、P2-Na
/3Fe1/2Mn1/2、Na(PO、NaMn1/3Co1/3
1/3PO、およびNa2/3Fe1/2Mn1/2@グラフェン複合材から成
る群から選択される、ステートメント34に記載の機器。
ステートメント36.カソード(たとえば、マグネシウムイオン伝導性、マグネシウム
含有カソード)が、ドープマグネシウム酸化物(たとえば、Mg1+x(Al,Ti)
(PO(ただし、xは4または5)、NASICON型マグネシウムイオン伝導性
材料等)から成る群から選択される材料を含む、ステートメント29に記載の機器。
ステートメント37.アノードが、シリコン含有材料(たとえば、シリコン、シリコン
/炭素等)、スズおよびその合金(たとえば、スズ/コバルト合金等)、スズ/炭素、な
らびにリンから成る群から選択される材料を含む、ステートメント24~36のいずれか
一項に記載の機器。
ステートメント38.アノード(たとえば、リチウムイオン伝導性アノードおよびリチ
ウム含有アノード)が、リチウムイオン伝導性アノード材料から成る群から選択される材
料を含む、ステートメント24~27および31~33のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント39.リチウムイオン伝導性アノード材料が、炭化リチウム、Li
、およびチタン酸リチウム(LTO)(たとえば、LiTi1512等)から成る群
から選択されるリチウム含有材料である、ステートメント38に記載の機器。
ステートメント40.アノードが、リチウム金属である、ステートメント38に記載の
機器。
ステートメント41.アノード(たとえば、ナトリウム含有およびナトリウムイオン伝
導性アノード)が、ナトリウムイオン伝導性アノード材料から成る群から選択される材料
を含む、ステートメント24~26、28、34、および35のいずれか一項に記載の機
器。
ステートメント42.ナトリウム含有アノード材料が、NaおよびNa
0.66Li0.22Ti0.78から成る群から選択される、ステートメント41
に記載の機器。
ステートメント43.アノードが、ナトリウム金属である、ステートメント41に記載
の機器。
ステートメント44.アノードが、マグネシウム含有アノード材料である、ステートメ
ント24~26、29、および36のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント45.アノードが、マグネシウム金属である、ステートメント44に記
載の機器。
ステートメント46.ハイブリッド電極、カソード、アノード、および任意選択として
の集電体が、セルを形成し、電池が、複数のセルを備え、セルの各隣接対が、バイポーラ
板により分離された、ステートメント24~45のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント47.(たとえば、基本電解質として)液体電解質を備えた従来のイオ
ン伝導性電池であり、電池が、本明細書に開示の無機SSEまたは本明細書に開示の固体
ハイブリッド電解質および液体電解質(たとえば、従来の電池に用いられる液体電解質)
を備え、液体電解質が、固体ハイブリッド電解質の構成要素として存在せず、無機SSE
材料または固体ハイブリッド電解質が、従来の電池のセパレータである、ステートメント
23~46のいずれか一項に記載の機器。
ステートメント48.無機SSEが、本明細書に開示のF/S SSE(たとえば、テ
ンプレーティング無機SSEまたはエレクトロスピニング無機SSE)である、ステート
メント47に記載の機器。
ステートメント49.ハイブリッド電解質(たとえば、固体ハイブリッド電解質)(た
とえば、ステートメント1~22のいずれか一項に記載のハイブリッド電解質)を作製す
る方法であって、
テンプレートを1つまたは複数のSSE材料前駆体と接触させることと、
(たとえば、加熱により)SSE材料前駆体を反応させて、(たとえば、少なくとも一
部または全部が反応および/または分解したSSE材料前駆体を含む)固体無機材料を形
成することと、
テンプレートを固体無機材料で熱処理(たとえば、焼結および/または焼成)すること
であり、テンプレートが(たとえば、燃焼により二酸化炭素として)除去され、無機SS
E(たとえば、モノリシックSSEまたはメソ多孔質体もしくはF/S SSE)が形成
される、ことと、
焼成テンプレートをポリマー材料と接触(たとえば、浸潤)させることと、
を含み、
モノリシックSSEまたはメソ多孔質体の場合に、無機SSE材料上に層を形成する(
および任意選択として、無機SSE材料の表面上に露出した細孔の少なくとも一部または
全部を満たす)か、または、F/S SSEの場合に、ポリマー材料がF/S SSEの
細孔(たとえば、テンプレートに対応する細孔)の少なくとも一部または全部を満たす、
方法。
ステートメント50.SSE材料前駆体が、ゾルゲル前駆体または金属塩である、ステ
ートメント49に記載の方法。
ステートメント51.テンプレートが、炭素テンプレート(たとえば、繊維テンプレー
ト)または生体材料テンプレート(たとえば、木材または植物テンプレート)である、ス
テートメント49または50に記載の方法。
The following statements provide examples of the solid state hybrid electrolytes of this disclosure and their uses.
Statement 1. SSEs (e.g., inorganic (e.g., ceramic) SSEs) disclosed herein (or including inorganic SSE materials disclosed herein); and
a polymeric material disclosed herein disposed on at least a portion or all of the outer surface of a solid electrolyte (e.g., solid electrolyte material);
Hybrid electrolytes (eg, solid hybrid electrolytes), including
Statement 2. Hybrid electrolytes according to Statement 1 (as examples of mesoporous SSE body materials include bilayer and trilayer materials comprising one or more layers of porous SSE material disposed on a layer of dense SSE material).
Statement 3. The hybrid electrolyte of Statement 1 or 2, wherein the SSE material is a disc, sheet, or polyhedron (eg, has a polyhedral shape).
Statement 4. 4. The hybrid electrolyte of any one of Statements 1-3, wherein the polymeric material has a thickness at one or more points between 10 nm and 10 microns (eg, between 5 and 10 microns).
Statement 5. 5. The hybrid electrolyte of any one of Statements 1-4, wherein the SSE comprises a plurality of fibers or strands (eg, a plurality of nonwoven strands or a plurality of woven strands).
Statement 6. The hybrid electrolyte of statement 5, wherein the fiber is present as the woven substrate.
Statement 7. Statement 5, where the fibers are randomly placed or arranged
Or the hybrid electrolyte according to 6.
Statement 8. 8. The hybrid electrolyte of any one of statements 5-7, wherein the fibers or strands of polymeric material form an interconnected 3D network.
Statement 9. The SSE material is a lithium ion conducting (e.g. containing lithium ions) SSE material, a sodium ion conducting (e.g. containing sodium ion) SSE
9. The hybrid electrolyte of any one of Statements 1-8, comprising a material, or a magnesium ion-conducting (eg, magnesium ion-containing) SSE material.
Statement 10. Lithium ion conductive SSE materials include lithium perovskite materials, Li 3 N, Li-β-alumina, lithium superionic conductors (LISICON), Li
2.88PO3.86N0.14 ( LiPON ), Li9AlSiO8 , Li10GeP
9. The hybrid electrolyte of Statement 9, wherein the hybrid electrolyte is selected from the group consisting of 2 S 12 , lithium garnet materials, doped lithium garnet materials, lithium garnet composite materials, and combinations thereof.
Statement 11. The lithium garnet material is cation - doped Li5La3M12
O12 (where M1 is Nb, Zr , Ta , or a combination thereof), cation-doped Li6La2BaTa2O12 , cation- doped Li7La3Zr2O12 , and cation -doped Li6BaY2M 12. The hybrid electrolyte of Statement 10, wherein M1 is Nb, Zr, Ta, or combinations thereof, and the cationic dopant is barium, yttrium, zinc , or combinations thereof.
Statement 12. Lithium garnet materials are Li 5 La 3 Nb 2 O 12 , Li 5
La3Ta2O12 , Li7La3Zr2O12 , Li6La2SrNb2O12 , Li _ _ _ _
6La2BaNb2O12 , Li6La2SrTa2O12 , Li6La2BaTa2O _ _ _ _ _ _
12 , Li7Y3Zr2O12 , Li6.4Y3Zr1.4Ta0.6O12 , Li6 . _ _ _
5La2.5Ba0.5TaZrO12 , Li6BaY2M12O12 , Li7Y3Zr _ _ _ _ _ _
2O12 , Li6.75BaLa2Nb1.75Zn0.25O12 , Li6.75Ba _ _ _
The hybrid electrolyte of statement 10 which is La2Ta1.75Zn0.25O12 , and combinations thereof .
Statement 13. The sodium ion-conducting SSE material is β″-Al 2 O 3 , Na
9. The hybrid electrolyte of Statement 9, selected from the group consisting of 4Zr2Si2PO12 ( NASICON ) , cation-doped NASICON, and combinations thereof.
Statement 14. A magnesium ion-conducting SSE material is Mg 1+x (Al, T
i) The hybrid electrolyte of Statement 9 selected from the group consisting of 2 (PO 4 ) 6 where x is 4 or 5, a NASICON-type magnesium ion-conducting material, and combinations thereof.
Statement 15. The inorganic SSE has pores exposed on the outer surface of the inorganic SSE, and the hybrid electrolyte further comprises at least one cathode material and/or at least one anode material disposed in at least a portion of the pores. , when the at least one cathode material and the at least one anode material are disposed in at least a portion of the pores, the at least one cathode material and the at least one anode material are discrete and electrically isolated from the inorganic SSE 15. The hybrid electrolyte of any one of statements 1-14, disposed in a region.
Statement 16. Polymer materials include poly(ethylene) (PE), poly(ethylene oxide) (PEO), poly(propylene) (PP), poly(propylene oxide), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), poly[bis (methoxyethoxyethoxide)-phosphazene], poly(dimethylsiloxane) (PDMS
), cellulose, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate,
Polyvinylidene difluoride (PVdF), polyvinylpyrrolidone (PVP), polystyrene, sulfonate (PSS), polyvinyl chloride (PVC) group, poly(vinylidene chloride) polypropylene oxide, polyvinyl acetate, polytetrafluoroethylene (for example , Teflon), poly(ethylene terephthalate) (PET), polyimides, polyhydroxyalkanoates (PHA), PEO-containing copolymers (e.g., polystyrene (PS
)-PEO copolymers and poly(methyl methacrylate) (PMMA)-PEO copolymers), polyacrylonitrile (PAN), poly(acrylonitrile-methyl acrylate copolymers), PVdF-containing copolymers (e.g. polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene copolymers (PVdF-HFP copolymers)), PMMA copolymers (e.g. poly(methyl methacrylate-ethyl acrylate copolymers)), derivatives thereof, and combinations thereof. 16. The hybrid electrolyte of any one of Statements 1-15, comprising (eg, being) a polymer that is a
Statement 17. 17. The hybrid electrolyte of any one of Statements 1-16, wherein the polymeric material is a gel (eg, a gel containing 60-80 wt% liquid, based on the total weight of the polymeric material).
Statement 18. If the liquid is a liquid electrolyte (e.g. ethylene carbonate (EC)
/ LiPF6 (eg 1M) in diethyl carbonate (DEC), LiTFSI (eg 1M) in dimethoxyethane (DME)/dioxolane (DOL), N-propyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide (PY
17. The hybrid electrolyte of any one of statements 1-17, wherein R 13 TFSI) is a non-aqueous liquid electrolyte such as LiTFSI (eg, 0.5 M) in an ionic liquid).
Statement 19. The polymer material of the gel is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP copolymer)
, polyvinylpyrrolidone (PVP), PEO, PMMA, PAN, polystyrene (PS)
, polyethylene (PE), and combinations thereof.
Statement 20. Statements 1-19, wherein the polymeric material comprises a metal salt (eg, a metal salt selected from the group consisting of lithium salts, sodium salts, magnesium salts, etc.)
The hybrid electrolyte according to any one of Claims 1 to 3.
Statement 21. The hybrid electrolyte of any one of Statements 1-20, wherein the polymeric material comprises a ceramic filler (eg, 2-25 wt%, based on the total weight of the polymeric material).
Statement 22. The ceramic filler contains conductive particles, non-conductive particles (e.g.
Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 nanoparticles, etc.), ceramic nanomaterials (e.g., ceramic nanoparticles, ceramic nanofibers), statement 2
2. The hybrid electrolyte according to 1.
Statement 23. A device comprising one or more hybrid electrolytes of the present disclosure (eg, the hybrid electrolytes of any one of Statements 1-22).
Statement 24. Hybrid electrolytes of the present disclosure (eg, statements 1-2
2. The hybrid electrolyte according to any one of 2);
an anode;
a cathode;
with
A hybrid electrolyte was disposed between the cathode and the anode (e.g., the polymer material of the hybrid electrolyte was disposed between the SSE material of the hybrid electrolyte and the anode and/or cathode (e.g., the hybrid electrolyte's fills substantially all voids between the SSE material and the anode and/or cathode)), a battery (eg, an ion-conducting battery such as a solid-state ion-conducting battery).
Statement 25. 25. The apparatus of Statement 24, wherein the battery further comprises a current collector disposed on at least a portion of the cathode and/or anode.
Statement 26. 26. The device of Statement 25, wherein the current collector is an electrically conductive metal or metal alloy.
Statement 27. The battery is a lithium ion conductive solid state battery and the hybrid electrolyte is a lithium ion conductive (eg lithium containing) SSE material (eg a lithium conductive (eg lithium 27. The device of any one of Statements 24-26 which contains) SSE material).
Statement 28. The battery is a sodium ion conducting solid state battery and the hybrid electrolyte is a sodium ion conducting (e.g. sodium containing) SSE material (e.g. a sodium ion conducting (e.g. sodium containing) SSE material as described in Statement 14).
SE material).
Statement 29. the battery is a magnesium ion-conducting solid state battery and the hybrid electrolyte is a magnesium ion-conducting (e.g., magnesium-containing) SSE material (e.g., a magnesium ion-conducting (e.g., magnesium-containing) SSE material as described in Statement 15) 27. The device of any one of Statements 24-26, which is
Statement 30. Statement 24 wherein the cathode and/or anode comprise a conductive carbon material (e.g., graphite, hard carbon, porous hollow carbon spheres and tubes, etc.), and the cathode material optionally further comprises an organic or gel ion conducting electrolyte. 30. A device according to any one of clauses -29.
Statement 31. to any one of Statements 24 to 29, wherein the cathode comprises a material selected from sulfur, sulfur composites (e.g., carbyne polysulfides, copolymerized sulfur, etc.), and polysulfide materials, or is air; equipment as described.
Statement 32. Statement 27, wherein the cathode (e.g., lithium-ion conductive, lithium-containing cathode) comprises a material selected from the group consisting of lithium-containing materials
Equipment described in .
Statement 33. The lithium-containing cathode material is lithium nickel manganese cobalt oxide (e.g., NMC, LiNixMnyCozO2 , where x + y + z =1, e.g., Li(NiMnCo) 1/ 3O2 , etc. ), LiCoO2. , LiNi 1/3
Co1 /3Mn1 /3O2 , LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 , lithium manganese oxide ( LMO) ( e.g., LiMn2O4 and LiNi0.5Mn1.5O 4 )
, lithium iron phosphate (LFP) (e.g. LiFePO4 ), LiMnPO4 , LiC
33. The device of Statement 32 , selected from the group consisting of oPO4 , and Li2MMn3O8 , where M is selected from Fe, Co, and combinations thereof.
Statement 34. 29. The instrument of Statement 28, wherein the cathode (eg, sodium ion-conducting, sodium-containing cathode) comprises a material selected from the group consisting of sodium-containing cathode materials.
Statement 35. The sodium-containing cathode materials are Na 2 V 2 O 5 , P2-Na 2
/ 3Fe1/ 2Mn1/ 2O2 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , NaMn1 /3Co1 / 3N
35. The device of Statement 34, selected from the group consisting of i1 / 3PO4 , and Na2 / 3Fe1 / 2Mn1/ 2O2 @graphene composites.
Statement 36. The cathode (e.g., magnesium ion-conducting, magnesium-containing cathode) is a doped magnesium oxide (e.g., Mg 1+x (Al,Ti) 2
(PO 4 ) 6 (where x is 4 or 5), NASICON-type magnesium ion-conducting materials, etc.).
Statement 37. Statement 24, wherein the anode comprises a material selected from the group consisting of silicon-containing materials (eg, silicon, silicon/carbon, etc.), tin and its alloys (eg, tin/cobalt alloys, etc.), tin/carbon, and phosphorus 37. The device according to any one of clauses -36.
Statement 38. The apparatus of any one of Statements 24-27 and 31-33, wherein the anode (e.g., lithium ion conducting anodes and lithium containing anodes) comprises a material selected from the group consisting of lithium ion conducting anode materials. .
Statement 39. The lithium ion conductive anode material is lithium carbide, Li6C
, and lithium titanate (LTO) (eg, Li 4 Ti 15 O 12 , etc.).
Statement 40. The device of Statement 38, wherein the anode is lithium metal.
Statement 41. according to any one of statements 24-26, 28, 34, and 35, wherein the anode (e.g., sodium-containing and sodium ion-conducting anode) comprises a material selected from the group consisting of sodium ion-conducting anode materials equipment.
Statement 42. The sodium- containing anode materials are Na2C8H4O4 and Na
Statement 41, selected from the group consisting of 0.66 Li 0.22 Ti 0.78 O 4
Equipment described in .
Statement 43. The instrument of Statement 41, wherein the anode is sodium metal.
Statement 44. The device of any one of statements 24-26, 29, and 36, wherein the anode is a magnesium-containing anode material.
Statement 45. The instrument of Statement 44, wherein the anode is magnesium metal.
Statement 46. of statements 24-45, wherein the hybrid electrode, cathode, anode, and optional current collector form a cell, the battery comprising a plurality of cells, each adjacent pair of cells separated by a bipolar plate; A device according to any one of paragraphs.
Statement 47. A conventional ion-conducting battery with a liquid electrolyte (e.g., as the base electrolyte), where the battery includes an inorganic SSE disclosed herein or a solid hybrid electrolyte and a liquid electrolyte (e.g., a conventional liquid electrolyte used in batteries)
wherein the liquid electrolyte does not exist as a component of the solid hybrid electrolyte and the inorganic SSE
47. The device of any one of statements 23-46, wherein the material or solid hybrid electrolyte is the separator of a conventional battery.
Statement 48. The instrument of Statement 47, wherein the inorganic SSE is a F/S SSE disclosed herein (eg, templating inorganic SSE or electrospinning inorganic SSE).
Statement 49. A method of making a hybrid electrolyte (e.g., a solid hybrid electrolyte) (e.g., the hybrid electrolyte of any one of Statements 1-22), comprising:
contacting the template with one or more SSE material precursors;
reacting (e.g., by heating) the SSE material precursor to form a solid inorganic material (e.g., including at least partially or wholly reacted and/or decomposed SSE material precursor);
A heat treatment (e.g., sintering and/or firing) of the template with a solid inorganic material such that the template is removed (e.g., as carbon dioxide by combustion) and the inorganic SS
E (e.g. monolithic SSE or mesoporous or F/S SSE) is formed;
contacting (e.g., infiltrating) the fired template with a polymeric material;
including
In the case of monolithic SSE or mesoporous, forming a layer on the inorganic SSE material (
and optionally filling at least some or all of the pores exposed on the surface of the inorganic SSE material) or, in the case of F/S SSE, the polymeric material is the F/S SSE pores (e.g., filling at least some or all of the pores corresponding to the template);
Method.
Statement 50. 49. The method of Statement 49, wherein the SSE material precursor is a sol-gel precursor or a metal salt.
Statement 51. 51. The method of statement 49 or 50, wherein the template is a carbon template (eg, fiber template) or a biomaterial template (eg, wood or plant template).

以下の例は、本開示の説明として提示する。これらは、何ら制限する意図のものではな
い。
The following examples are presented as illustrative of the disclosure. They are not intended to be limiting in any way.

本例は、本開示の固体ハイブリッド電解質の説明を与える。また、本例は、このような
電解質の作製および特性評価の例を与える。
This example provides a description of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. This example also provides an example of the preparation and characterization of such electrolytes.

リチウム金属電池のハイブリッドポリマー/ガーネット型電解質系の界面抵抗の低減
ガーネット型固体電解質は、その高いイオン伝導性(10-4S/cm~10-3S/
cm)および広い電気化学的安定窓(0~6V対Li/Li)によって、Li金属電池
に対する有望な結果を明らかにしている。ガーネット型固体電解質の主要な課題の1つと
して、電解質と電極との間の高い界面抵抗がある。本例は、リチウム金属対称セルの界面
抵抗を低減するとともにデンドライト貫通に対する保護を図る2つのゲルポリマー電解質
層間の固体LiLa2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.2512(LLCZ
N)ガーネット型電解質を含むハイブリッド電解質を説明する。ゲルポリマー電解質層は
、ガーネット固体電解質(SSE)と電極との間に、低界面抵抗および長期電気化学的安
定の有利な界面を形成する。ハイブリッドゲルポリマーおよびLLCZN電解質は、SS
E/カソード界面で248Ω×cm前後、SSE/Li金属界面で214Ω×cm
後の低い界面電荷移動抵抗を実現する。この設計の異なる利点として、ハイブリッド電解
質は、高密度LLCZNガーネット層により、リチウムデンドライトの形成を防止するこ
とができる。本発明者らの結果は、ハイブリッド対称セルが長期間のサイクルにわたって
、安定したストリッピングおよびプレーティングプロファイルで動作し得ることを示して
いる。また、このハイブリッド電解質は、過電圧が小さく、デンドライト短絡に対する信
頼性が高いLi金属電池に使用可能である。ゲルポリマー界面層を備えたハイブリッド電
解質設計は、ガーネット固体界面抵抗に有効で、高性能の安全なLi金属電池を実証する
興味深い表面工学ソリューションである。
Reduction of interfacial resistance of hybrid polymer/garnet-type electrolyte systems in lithium metal batteries Garnet-type solid electrolytes are characterized by their high ionic conductivity ( 10
cm) and a wide electrochemical stability window (0-6 V vs. Li + /Li) reveal promising results for Li metal batteries. One of the major problems with garnet-type solid electrolytes is the high interfacial resistance between the electrolyte and the electrode. This example demonstrates a solid Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12 ( LLCZ
N) describes hybrid electrolytes containing garnet-type electrolytes. The gel-polymer electrolyte layer forms an advantageous interface of low interfacial resistance and long-term electrochemical stability between the garnet solid electrolyte (SSE) and the electrode. Hybrid gel polymers and LLCZN electrolytes are SS
A low interfacial charge transfer resistance of around 248 Ω×cm 2 at the E/cathode interface and around 214 Ω×cm 2 at the SSE/Li metal interface is achieved. Another advantage of this design is that the hybrid electrolyte can prevent the formation of lithium dendrites due to the dense LLCZN garnet layer. Our results show that hybrid symmetric cells can operate with stable stripping and plating profiles over long cycles. Also, this hybrid electrolyte can be used in Li metal batteries with low overvoltage and high reliability against dendrite short circuits. A hybrid electrolyte design with a gel-polymer interfacial layer is an interesting surface-engineered solution that is effective for garnet-solid interfacial resistance and demonstrates a high-performance, safe Li-metal battery.

LLCZNガーネットSSEとの間の界面層としてゲルポリマー電解質を備えたハイブ
リッド電解質の提案によって、界面抵抗を低減するとともに、室温で動作し得るLi金属
完成セルを実証する。図1aは、ポリマー/ガーネット型SSEハイブリッド電解質を用
いた固体ポリマー-Li金属電池設計の模式図である。この電池においては、ガーネット
型SSEと電極との間の界面層としてゲルポリマーを使用することにより、界面抵抗を低
減している。ゲルポリマー電解質は、ガーネット型SSEと電極との間の接触の増大によ
って、カソードおよびLi金属に対するガーネット型SSE界面抵抗を低減するのに役立
ち得る(図1b)。本研究において使用するゲルポリマー電解質は、多孔質PVdF-H
FPポリマーマトリクスと、ポリマーの内側に格納された制限量の液体電解質との組み合
わせである。既知の技術により作製したゲルポリマーは、良好なイオン伝導性(5×10
-4S/cm)を有し、0~4.5V対Li/Liの電圧範囲で電気化学的に安定であ
るため、商業的に最も使用されているカソード材料に適している。ガーネット型SSEと
活性電極との間の界面にゲルポリマー電解質を備えたハイブリッド設計のため、界面抵抗
は、カソード界面に対して248Ω×cm、Li金属アノード界面に対して214Ω×
cmという低さとなる。本発明者らの結果は、ハイブリッド対称セルが最大15時間に
わたる安定したストリッピングおよびプレーティングプロファイルと、低い過電圧で動作
し得ることを示しており、これは、ガーネット型SSEと金属Liアノードとの間の安定
した界面を示す。ゲルポリマー中間層には最少量の液体電解質が格納されるため、ハイブ
リッド電解質は、従来の液体電解質ベースの電池のような漏れが発生しない。ゲルポリマ
ー界面層を備えたハイブリッド電解質設計は、電気化学セル内のカソードおよびLi金属
アノードの両者を含む電極に対する全体的な界面抵抗を低減するとともに、高性能の安全
なLi金属電池を実証する重要な表面工学方策と考えられる。
Proposing a hybrid electrolyte with a gel-polymer electrolyte as the interfacial layer between the LLCZN garnet SSE reduces the interfacial resistance and demonstrates a Li metal finished cell that can operate at room temperature. FIG. 1a is a schematic of a solid polymer-Li metal battery design with a polymer/garnet-type SSE hybrid electrolyte. In this battery, interfacial resistance is reduced by using a gel polymer as an interfacial layer between the garnet-type SSE and the electrode. A gel-polymer electrolyte can help reduce the garnet-type SSE interfacial resistance to the cathode and Li metal by increasing the contact between the garnet-type SSE and the electrodes (Fig. 1b). The gel polymer electrolyte used in this study is porous PVdF-H
It is a combination of an FP polymer matrix and a limited amount of liquid electrolyte stored inside the polymer. Gel polymers made by known techniques exhibit good ionic conductivity (5 x 10
−4 S/cm) and is electrochemically stable in the voltage range of 0-4.5 V vs. Li + /Li, making it suitable for most commercially used cathode materials. Due to the hybrid design with a gel-polymer electrolyte at the interface between the garnet-type SSE and the active electrode, the interfacial resistance is 248 Ω×cm for the cathode interface and 214 Ω×cm for the Li metal anode interface.
As low as cm 2 . Our results show that the hybrid symmetric cell can operate with stable stripping and plating profiles for up to 15 h and with low overvoltages, which is consistent with the combination of garnet-type SSE and metallic Li anode. shows a stable interface between Because the gel polymer interlayer contains a minimal amount of liquid electrolyte, the hybrid electrolyte does not leak like traditional liquid electrolyte-based batteries. A hybrid electrolyte design with a gel-polymer interfacial layer reduces the overall interfacial resistance to the electrodes, including both the cathode and the Li-metal anode in electrochemical cells, and is important in demonstrating high-performance, safe Li-metal batteries. It is considered as an effective surface engineering strategy.

結果と考察
ハイブリッド電解質の特性評価
ガーネット型SSEおよびゲルポリマー電解質の特性評価を本明細書に記載する。ガー
ネット型LLCZNパレットの断面走査電子顕微鏡(SEM)画像を取得したが、これは
、およそ450μmの合計厚を示しており、これらの試行のサンプル間で一貫性を保って
いる。ガーネットパレットの表面は、滑らかではないため、電極層に対する接触が不十分
となる。合成プロセス中の12時間の高温焼結の結果として微小粒を有するガーネット型
LLCZNパレットの拡大断面SEM画像を調べた。ガーネット型SSEの高密度構造は
、サイクル中にリチウム金属デンドライトが電解質を貫通することを防止する。PVdF
-HFPポリマーマトリクスのSEM画像を取得した。マトリクスの多孔質構造は、付加
的な液体電解質を十分に吸収して含有する。ガーネット型LLCZNパレットに対して、
X線回折(XRD)を実行した。これは、立方相ガーネット型LiLaNb12
の標準的なXRDプロットとよく整合しており、LLCZNパレットが正方ガーネット相
と比較してLiイオン伝導度が高い立方ガーネット相を有することを示す。厚さが100
0μmおよび150μmの2つのLLCZNパレットにより電気化学的インピーダンス分
光法(EIS)を実行し、両側に金を堆積させた対称セル中でテストした。インピーダン
ス分光曲線の高周波部の半円は、LLCZNのバルク抵抗および粒界抵抗を表す。厚さが
異なるLLCZNパレットは、2×10-4S/cm前後の同じバルク伝導度を有する。
式σ=R-1LS-1を用いて伝導度を計算した(ただし、Rは抵抗、LはLLCZNパ
レットの厚さ、Sは電極の面積である)。450μm厚のLLCZNパレットのバルク面
比抵抗(ASR)は、225Ω×cmであり、電池の許容範囲である。これは、ガーネ
ット型SSEの内部抵抗が比較的小さく、SSEと電極との間の界面が主として固体電池
の抵抗に寄与することを意味する。したがって、界面抵抗を内部抵抗と同レベルまで低減
可能である限り、固体電解質は、電池使用に対して十分に小さい抵抗を有し得る。Li|
ポリマー|Ti系によって、サイクリックボルタンメトリ(CV)を実行した。-0.3
Vおよび0.3Vにおける急峻なピークは、リチウムのプレーティングおよびストリッピ
ングに対応しており、それより高い電圧範囲にピークは存在しない。0.5V~4.5V
の電圧範囲のCV曲線の平坦さは、ゲルポリマー電解質が4.5Vまで電気化学的に安定
であることを示す。また、ガーネット型LLZOが0~6V対Li/Liで電気化学的
に安定であることから、ハイブリッド電解質設計は、0~4.5V対Li/Liの電圧
範囲で安定である。この安定な電圧範囲により、ハイブリッド電解質は、多くのカソード
材料を有するリチウム金属設計に適する。厚さ40μmのゲルポリマーの面比抵抗および
イオン伝導度はそれぞれ、ステンレス鋼プレートを備えた単純な対称セルのEISプロッ
トから、8Ω×cmおよび5×10-4S/cmである。この柔軟でイオン伝導性が高
いゲルポリマーにより、SSEと電極との間の接触が改善して、界面抵抗が低くなり得る
Results and Discussion Characterization of Hybrid Electrolytes Characterization of garnet-type SSE and gel polymer electrolytes are described herein. A cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) image of the garnet-type LLCZN pallet was obtained, showing a total thickness of approximately 450 μm, consistent between the samples in these trials. The surface of the garnet pallet is not smooth, resulting in poor contact with the electrode layer. A magnified cross-sectional SEM image of a garnet-type LLCZN pallet with fine grains as a result of high temperature sintering for 12 hours during the synthesis process was examined. The dense structure of garnet-type SSEs prevents lithium metal dendrites from penetrating the electrolyte during cycling. PVdF
- SEM images of the HFP polymer matrix were acquired. The porous structure of the matrix is sufficient to absorb and contain additional liquid electrolyte. For garnet-type LLCZN pallets,
X-ray diffraction (XRD) was performed. This is the cubic phase garnet-type Li 5 La 3 Nb 2 O 12
, indicating that the LLCZN palette has a cubic garnet phase with higher Li-ion conductivity compared to the tetragonal garnet phase. thickness is 100
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed with two LLCZN pallets of 0 μm and 150 μm, tested in a symmetrical cell with gold deposited on both sides. The semicircles in the high frequency part of the impedance spectrum curve represent bulk and grain boundary resistances of LLCZN. LLCZN pallets with different thicknesses have the same bulk conductivity around 2×10 −4 S/cm.
Conductivity was calculated using the formula σ=R −1 LS −1 (where R is the resistance, L is the thickness of the LLCZN pallet, and S is the area of the electrode). The bulk area resistivity (ASR) of the 450 μm thick LLCZN pallet is 225 Ω×cm 2 , which is acceptable for the cell. This means that the internal resistance of garnet-type SSEs is relatively low, and the interface between the SSE and the electrodes mainly contributes to the resistance of the solid-state battery. Therefore, as long as the interfacial resistance can be reduced to the same level as the internal resistance, the solid electrolyte can have sufficiently low resistance for battery use. Li |
Cyclic voltammetry (CV) was performed with the polymer|Ti system. -0.3
Sharp peaks at V and 0.3 V correspond to lithium plating and stripping, with no peaks in the higher voltage range. 0.5V to 4.5V
The flatness of the CV curve over the voltage range of 0 indicates that the gel polymer electrolyte is electrochemically stable up to 4.5V. Also, since garnet-type LLZO is electrochemically stable from 0 to 6 V vs. Li + /Li, the hybrid electrolyte design is stable in the voltage range from 0 to 4.5 V vs. Li + /Li. This stable voltage range makes the hybrid electrolyte suitable for lithium metal designs with many cathode materials. The areal resistivity and ionic conductivity of the 40 μm thick gel polymer are 8 Ω×cm 2 and 5×10 −4 S/cm, respectively, from EIS plots of a simple symmetrical cell with stainless steel plates. This flexible, highly ionically conductive gel polymer can improve the contact between the SSE and the electrode, resulting in lower interfacial resistance.

ハイブリッド電解質の界面インピーダンスの解析
ガーネットポリマーハイブリッド電解質を備えた対称セルのインピーダンス解析を図2
に示す。図2aは、カソード|ポリマー|カソード対称セルのインピーダンスプロファイ
ルを示している。このセルのバルク抵抗は、ゲルポリマー層が薄くて導電性を有するため
、小さい。中間周波数部の半円は、各側に対しておよそ107Ω×cmの電荷移動抵抗
(Rct)に対応する。この値は、等価回路シミュレーションにより計算される。Rct
は、カソード材料とゲルポリマーとの間の電荷移動の動的障害を表し、Rctが小さいこ
とは、ゲルポリマーおよびカソードが良好に界面接触していることを意味する。低周波部
のロングテールは、カソード中の拡散インピーダンスに対応する。図2bは、ステンレス
鋼(SS)|ポリマー|SSE|ポリマー|SS対称セルのインピーダンスプロファイル
を示しており、高周波におけるガーネット型SSEのバルクおよび粒界インピーダンス、
中間周波数範囲の界面Rct、および低周波数における拡散インピーダンスという3つの
部分を組み合わせたものである。ゲルポリマーのインピーダンスプロットから、ゲルポリ
マーとSSとの間のRctは、インピーダンスプロットにおいて対応する半円が現れない
ことから、ほぼゼロである。したがって、SS|ポリマー|SSE|ポリマー|SS対称
セルのRctはすべて、ポリマー|SSE界面に由来する。ポリマー|SSE界面のR
は、図5bにおける対応するフィッティング結果による計算から、各側に対しておよそ
155Ω×cmである。この抵抗は、カソード|ポリマー界面のRctに近く、ポリマ
ー|SSE界面とカソード|ポリマー界面とが同様の接触性能を有することを意味する。
図2cは、カソード|ポリマー|SSE|ポリマー|カソード対称セルのEISプロット
である。インピーダンス曲線は、3つの部分を組み合わせたものである。高周波部は、ガ
ーネット型SSE自体のバルクおよび粒界インピーダンスである。中間周波数部は、ゲル
ポリマー層自体の抵抗が相対的にかなり小さいことから、ポリマー|SSE界面およびカ
ソード|ポリマー界面のRctを含めて、ガーネット型SSEとカソードとの間の界面R
ctに対応する2つの半円の組み合わせである。低周波数部は直線であり、カソードの拡
散インピーダンスに対応する。カソード|ポリマー|SSE|ポリマー|カソード対称セ
ルの合計界面Rctは、各側に対して248Ω×cmである。この値は、等価回路フィ
ッティングにより得られたものである。カソード|ポリマー|SSE|ポリマー|カソー
ド対称セルの界面Rctは、ポリマー|カソード界面Rctおよびポリマー|SSE界面
ctの合計に略等しく、3種類の全界面のインピーダンスが中間周波数範囲に現れる。
これは、カソード|ポリマー|SSE界面のインピーダンスがポリマー|カソードおよび
ポリマー|SSE界面インピーダンスの合計であることを意味する。ゲルポリマー界面層
を有する場合および有さない場合の対称セルの比較として、図5aは、界面修飾を一切行
っていないカソード|SSE|カソード対称セルのEISプロットである。対称セルは、
ガーネット型SSE表面上のカソードスラリーの直接ブラッシングおよびその後の乾燥に
よって構成した。これは、ポリマー界面層を持たないカソード|SSE|カソード対称セ
ルの合計Rctがおよそ1×10Ω×cmであること示す。この大きな抵抗がSSE
とLiFePOカソード材料との間の不十分な接触の証拠である。この問題は、ガーネ
ット型SSEとカソードとの間のハイブリッド設計のゲルポリマー層によって解決可能で
ある。
Analysis of the interfacial impedance of the hybrid electrolyte Impedance analysis of the symmetrical cell with the garnet-polymer hybrid electrolyte is shown in Figure 2.
shown. FIG. 2a shows the impedance profile of a cathode|polymer|cathode symmetric cell. The bulk resistance of this cell is low because the gel polymer layer is thin and conductive. The mid-frequency half circle corresponds to a charge transfer resistance (R ct ) of approximately 107 Ω×cm 2 on each side. This value is calculated by equivalent circuit simulation. Rct
represents the dynamic impediment of charge transfer between the cathode material and the gel polymer, and a small Rct means good interfacial contact between the gel polymer and the cathode. The long tail in the low frequency part corresponds to the diffusion impedance in the cathode. Figure 2b shows the impedance profiles of stainless steel (SS)|polymer|SSE|polymer|SS symmetric cells, the bulk and grain boundary impedances of garnet-type SSE at high frequencies,
It combines three parts: the interface R ct in the mid-frequency range and the diffusion impedance at low frequencies. From the impedance plot of the gel polymer, the R ct between the gel polymer and the SS is nearly zero because the corresponding semicircle does not appear in the impedance plot. Therefore, the R cts of SS|polymer|SSE|polymer|SS symmetric cells all come from the polymer|SSE interface. R c of the polymer|SSE interface
t is approximately 155Ω×cm 2 for each side, calculated from the corresponding fitting results in FIG. 5b. This resistance is close to the Rct of the cathode|polymer interface, implying that the polymer|SSE and cathode|polymer interfaces have similar contact performance.
FIG. 2c is an EIS plot of a cathode|polymer|SSE|polymer|cathode symmetric cell. The impedance curve is a combination of three parts. The high frequency part is the bulk and grain boundary impedance of the garnet-type SSE itself. In the mid-frequency portion, the interface R
A combination of two semicircles corresponding to ct . The low frequency part is linear and corresponds to the diffusion impedance of the cathode. The total interface R ct of the cathode|polymer|SSE|polymer|cathode symmetric cell is 248Ω×cm 2 for each side. This value was obtained by equivalent circuit fitting. The interface Rct of a cathode|polymer|SSE|polymer|cathode symmetric cell is approximately equal to the sum of the polymer|cathode interface Rct and the polymer|SSE interface Rct , and the impedance of all three interfaces appears in the mid-frequency range.
This means that the cathode|polymer|SSE interface impedance is the sum of the polymer|cathode and polymer|SSE interface impedances. As a comparison of symmetric cells with and without a gel polymer interfacial layer, FIG. 5a is an EIS plot of a cathodic|SSE|cathode symmetrical cell without any interfacial modification. A symmetrical cell is
Constructed by direct brushing of the cathode slurry on the garnet-type SSE surface and subsequent drying. This indicates that the total R ct of a cathode|SSE|cathode symmetric cell without a polymer interfacial layer is approximately 1×10 6 Ω×cm 2 . This large resistance is the SSE
Evidence of poor contact between the and the LiFePO4 cathode material. This problem can be solved by a hybrid design gel polymer layer between the garnet-type SSE and the cathode.

図2dは、Li|ポリマー|Li対称セルのインピーダンス曲線を示している。インピ
ーダンス曲線とZ’軸との交点は6.4Ω×cmであり、これは、ゲルポリマーのバル
ク抵抗である。半円の直径は180Ω×cmであり、これは、対称セルの両側の2つの
ポリマー|Li界面のRctである。したがって、1つのポリマー|Li界面の界面抵抗
は90Ω×cmであり、ポリマー|カソード界面抵抗に近い。これは、ゲルポリマーと
Li金属との間の接触がゲルポリマーとカソードとの間の接触と同じぐらい良好であり、
Li金属電極の表面もゲルポリマーによって十分にぬれていることを意味する。図2eは
、Li|ポリマー|SSE|ポリマー|Li対称セルのEISプロットを示しており、4
つの部分を含む。高周波部は、ガーネット型SSEのバルク抵抗および粒界抵抗である。
中間周波数部は、ゲルポリマー層自体のインピーダンスがかなり小さいことから、主とし
てポリマー|SSE界面およびポリマー|Li界面のインピーダンスに由来するガーネッ
ト型SSEとLi金属との間の界面Rctに対応する2つの半円である。本明細書の対応
する等価回路フィッティング結果から、Li|ポリマー|SSE|ポリマー|Li対称セ
ルの1つの界面上の合計界面Rctは、214Ω×cmである。図5bは、界面修飾を
行っていないLi|SSE|Li対称セルの合計抵抗が一方側に対しておよそ1400Ω
×cmであることを示している。金属リチウムが溶融され、ガーネット型SSEの両側
を被覆する。図5aのカソード|SSE|カソード対称セルと比較して抵抗が小さい理由
は、リチウム金属の溶融により、固体カソード粉末およびバインダと比較して、表面接触
が改善したことである。ただし、1400Ω×cmの界面抵抗は、電池使用には依然と
して大き過ぎる。これは、ゲルポリマー界面層によって低減可能である。結論として、ゲ
ル界面層は、多くのカソード材料およびLi金属アノードを含めて、LLCZN固体電解
質と電極との間の界面Rctを大幅に低減可能である。図2fは、ゲルポリマー界面を有
する場合および有さない場合のLi|SSE|Liおよびカソード|SSE|カソード対
称セルの界面抵抗を比較したものである。これは、ゲル界面が界面抵抗を許容範囲まで低
減し得ることを明確に示している。ゲルポリマー界面の適用後、カソードとガーネット型
SSEとの間の界面抵抗は、6×10Ω×cmから248Ω×cmまで低下した。
ゲルポリマー界面の適用後、Li金属アノードとガーネット型SSEとの間の界面抵抗は
、1400Ω×cmから214Ω×cmまで低下した。
FIG. 2d shows the impedance curve of a Li|polymer|Li symmetric cell. The intersection of the impedance curve with the Z'-axis is 6.4 Ω×cm 2 , which is the bulk resistance of the gel polymer. The diameter of the semicircle is 180 Ω×cm 2 , which is the R ct of the two polymer|Li interfaces on either side of the symmetrical cell. Therefore, the interfacial resistance of one polymer|Li interface is 90 Ω×cm 2 , which is close to the polymer|cathode interfacial resistance. This means that the contact between the gel polymer and the Li metal is as good as the contact between the gel polymer and the cathode,
It means that the surface of the Li metal electrode is also well wetted by the gel polymer. Figure 2e shows the EIS plot of the Li|polymer|SSE|polymer|Li symmetric cell, showing 4
Contains one part. The high frequency part is the garnet type SSE bulk resistance and grain boundary resistance.
The intermediate-frequency part has two regions corresponding to the interface R ct between the garnet-type SSE and the Li metal, mainly derived from the impedances of the polymer|SSE and polymer|Li interfaces, since the impedance of the gel polymer layer itself is rather small. It's a half circle. From the corresponding equivalent circuit fitting results here, the total interface R ct on one interface of the Li|polymer|SSE|polymer|Li symmetric cell is 214Ω×cm 2 . Figure 5b shows that the total resistance of the Li|SSE|Li symmetric cell without interfacial modification is approximately 1400Ω to one side.
× cm 2 . Lithium metal is melted and coats both sides of the garnet-type SSE. The reason for the lower resistance compared to the cathode|SSE|cathode symmetric cell of FIG. 5a is that the melting of lithium metal improves surface contact compared to solid cathode powder and binder. However, the interfacial resistance of 1400Ω×cm 2 is still too large for battery use. This can be reduced by a gel polymer interfacial layer. In conclusion, gel interfacial layers can significantly reduce the interface Rct between LLCZN solid electrolytes and electrodes, including many cathode materials and Li metal anodes. FIG. 2f compares the interfacial resistance of Li|SSE|Li and cathode|SSE|cathode symmetric cells with and without a gel-polymer interface. This clearly shows that the gel interface can reduce the interfacial resistance to an acceptable range. After applying the gel-polymer interface, the interfacial resistance between the cathode and the garnet-type SSE decreased from 6×10 4 Ω×cm 2 to 248 Ω×cm 2 .
After applying the gel-polymer interface, the interfacial resistance between the Li metal anode and the garnet-type SSE decreased from 1400 Ω×cm 2 to 214 Ω×cm 2 .

図3は、ゲルポリマー界面を有する場合および有さない場合の対称セル中の界面ごとに
識別されたインピーダンスを解析したものである。カソード|ポリマー|SSE|ポリマ
ー|カソード対称セルのインピーダンスの解析は、図2a~図2cに由来し、ゲルポリマ
ー界面のないカソード|SSE|カソード対称セルのインピーダンスの解析は、図5aに
示す。対応する等価回路を本明細書に記載する。各等価回路においては、1つの界面のイ
ンピーダンスに対して、抵抗とキャパシタ/定位相要素(CPE)との間の並列接続が1
つ存在する。キャパシタ/CPEは、界面上の二重層キャパシタンスに対するものであり
、抵抗は、界面上の電荷移動抵抗に対するものである。カソード|ポリマー|SSE|ポ
リマー|カソード対称セルの合計界面Rctは、496Ω×cmであって、ゲルポリマ
ー界面のないカソード|SSE|カソード対称セルの界面Rct(1.3×10Ω×c
)よりもはるかに小さい。この抵抗の低下は、ゲルポリマー界面がカソードとSSE
との間の接触性能を大幅に向上可能であることを意味する。Li|ポリマー|SSE|ポ
リマー|Li対称セルのインピーダンスの解析は、図2b、図2d、および図2eの解析
に由来し、ゲルポリマー界面のないLi|SSE|Li対称セルのインピーダンスの解析
は、図5bに由来する。これは、ゲルポリマー界面を有する場合および有さない場合のL
i|SSE|Li対称セルのインピーダンスを比較したものである。対応する等価回路を
本明細書に記載する。Li|ポリマー|SSE|ポリマー|Li対称セルの合計界面R
は、428Ω×cmであって、界面修飾を行っていないLi|SSE|Li対称セル
の界面Rct(2800Ω×cm)よりもはるかに小さい。この抵抗の低下は、ゲルポ
リマー界面がLiとSSEとの間の接触性能を大幅に向上可能であることを意味する。
FIG. 3 analyzes the impedance identified for each interface in a symmetric cell with and without a gel-polymer interface. The impedance analysis of the cathode|polymer|SSE|polymer|cathode symmetric cell is derived from FIGS. 2a-2c, and the impedance analysis of the cathode|SSE|cathode symmetric cell without gel-polymer interface is shown in FIG. 5a. A corresponding equivalent circuit is described herein. In each equivalent circuit, there is one parallel connection between the resistor and the capacitor/constant phase element (CPE) for one interface impedance.
exist. Capacitance/CPE is for the double layer capacitance on the interface and resistance is for the charge transfer resistance on the interface. The total interface R ct of the cathode|polymer|SSE|polymer|cathode-symmetric cell was 496 Ω×cm 2 and the interface R ct of the cathode|SSE|cathode-symmetric cell without the gel-polymer interface (1.3×10 5 Ω ×c
m 2 ). This drop in resistance indicates that the gel-polymer interface is the cathode and SSE.
It means that the contact performance between and can be greatly improved. The analysis of the impedance of the Li|Polymer|SSE|Polymer|Li symmetric cell is derived from the analyzes of FIGS. Derived from FIG. 5b. This is the L
Figure 3 compares the impedance of i|SSE|Li symmetric cells. A corresponding equivalent circuit is described herein. Li|Polymer|SSE|Polymer|Li symmetric cell total interface Rc
t is 428 Ω×cm 2 , which is much smaller than the interface R ct (2800 Ω×cm 2 ) of the Li|SSE|Li symmetric cell without interface modification. This reduction in resistance means that the gel-polymer interface can greatly improve the contact performance between Li and SSE.

ハイブリッド固体ポリマー電解質の電気化学的性能
ポリマー/ガーネット型SSEハイブリッド電解質を備えたリチウム対称セルおよび完
成セルの電気化学的性能を図4に示す。図4aは、定電流サイクルの下、ゲルポリマー界
面層を備えたLi|SSE|Li対称セルのDCサイクル電圧プロファイルを示している
。対称セルの合計DC ASRは1400Ω×cmであり、これは、電圧値180mV
を面電流密度125μA/cmで除したものである。図4aの差し込み図は、DC抵抗
が1サイクルにおいて一定に保たれることを示している。このDC抵抗は、SSEのバル
クおよび粒界抵抗ならびにSSE|ポリマー|Li界面の抵抗に由来するため、界面抵抗
が1サイクルにおいて一定に保たれる。リチウムのストリッピングおよびプレーティング
によってリチウムとゲルポリマー電解質との間の界面接触が改善されるため、電圧は、最
初の5時間に180mVから160mVまで低下する。5時間後、電圧は一定に保たれ、
界面抵抗も一定に保たれ、界面は安定している。図4bは、15時間にわたるサイクル前
後のセルのEISプロットを示している。サイクル中、界面ASRは、ほぼ一定で、10
00Ω×cmから1100Ω×cmに変化する。これは、ゲルポリマー界面が安定し
ており、長時間にわたって小さな抵抗を保っていたことを意味する。
Electrochemical Performance of Hybrid Solid Polymer Electrolytes Electrochemical performance of lithium symmetric and finished cells with polymer/garnet-type SSE hybrid electrolytes is shown in FIG. Figure 4a shows the DC cycling voltage profile of a Li|SSE|Li symmetric cell with a gel polymer interfacial layer under galvanostatic cycling. The total DC ASR of the symmetrical cell is 1400Ω× cm2 , which corresponds to a voltage value of 180mV
is divided by the surface current density of 125 μA/cm 2 . The inset of Figure 4a shows that the DC resistance remains constant for one cycle. This DC resistance comes from the bulk and grain boundary resistance of the SSE and the resistance of the SSE|polymer|Li interface, so the interfacial resistance remains constant over one cycle. The voltage drops from 180 mV to 160 mV in the first 5 hours as the lithium stripping and plating improves the interfacial contact between the lithium and the gel polymer electrolyte. After 5 hours the voltage remained constant and
The interfacial resistance is also kept constant and the interface is stable. Figure 4b shows EIS plots of the cells before and after cycling over 15 hours. During the cycle, the interfacial ASR is nearly constant, 10
It changes from 00Ω×cm 2 to 1100Ω×cm 2 . This means that the gel-polymer interface was stable and kept low resistance for a long time.

図4c~図4eは、ポリマー/ガーネット型SSEハイブリッド電解質を備えた完成セ
ルのサイクル性能を示している。セルは、130サイクルにわたって、65μA/cm
の面電流密度および1Cレート(170mA/g)で充放電させた。図4cは、1回目、
10回目、50回目、100回目、および130回目のサイクルの充放電プロファイルで
ある。充放電曲線は安定した電圧プラトーを示しており、サイクルの過電圧は一貫してい
る。これは、130回の充放電サイクルの間、界面抵抗が一定であることを意味する。図
4dは、各サイクルの放電容量およびクーロン効率を示しており、クーロン効率は、2回
目以降の各サイクルでおよそ95%である。1回目のサイクルのクーロン効率が低いのは
、この1回目のサイクルにおいて、電極とゲルとの間にSEI層が形成されたためである
。放電容量は、130回のサイクルにわたって、50~55mAh/gで安定している。
安定した放電容量は、長時間のサイクルにわたって界面層が安定していることを示す。比
容量が小さい理由として、液体電解質の大部分がゲルの内側にあり、カソード材料の内側
にはわずかしか存在しないため、カソード材料のすべてがゲルでぬれているわけではなく
、すべてが反応において活性化するわけではないことが考えられる。ただし、界面層が化
学的に安定していることから、電池の放電容量は、長期にわたって良好な安定性を有する
。図4eは、サイクル前、20サイクル後、および130サイクル後の電池のEISプロ
ットである。中間周波数範囲の半円の直径として示すRctは、およそ500Ω×cm
でほぼ一定であり、これは、ゲルポリマー電解質のインピーダンスが非常に安定しており
、130回のサイクルにわたって小さな電荷移動抵抗を維持可能であることを意味する。
結論として、ハイブリッドポリマー/ガーネット電解質は、過電圧が小さくて安定性が良
好なLi金属完成セルに使用可能である。
Figures 4c-4e show the cycling performance of the completed cell with the polymer/garnet SSE hybrid electrolyte. The cell is 65 μA/cm 2 for 130 cycles
and a 1C rate (170 mA/g). FIG. 4c shows the first time,
10th, 50th, 100th, and 130th cycle charge/discharge profiles. The charge-discharge curves show a stable voltage plateau and the cycle overvoltage is consistent. This means that the interfacial resistance remains constant during 130 charge-discharge cycles. FIG. 4d shows the discharge capacity and coulombic efficiency for each cycle, with the coulombic efficiency being approximately 95% for each cycle after the second. The low coulombic efficiency of the first cycle is due to the formation of an SEI layer between the electrode and the gel during this first cycle. The discharge capacity is stable at 50-55 mAh/g over 130 cycles.
A stable discharge capacity indicates that the interfacial layer is stable over long cycles. The reason for the low specific capacity is that most of the liquid electrolyte is inside the gel and only a small amount is inside the cathode material, so not all of the cathode material is wet with the gel and all is active in the reaction. It is conceivable that it will not change. However, since the interfacial layer is chemically stable, the discharge capacity of the battery has good long-term stability. Figure 4e is an EIS plot of the cell before cycling, after 20 cycles, and after 130 cycles. R ct , indicated as the diameter of the mid-frequency range semicircle, is approximately 500Ω×cm 2
, which means that the impedance of the gel polymer electrolyte is very stable and can maintain a small charge transfer resistance over 130 cycles.
In conclusion, the hybrid polymer/garnet electrolyte can be used for Li metal finished cells with small overvoltage and good stability.

本例は、純粋なSSEの代わりに、ポリマー/ガーネットハイブリッド電解質を良好な
固体ポリマー電池設計に使用して、ガーネット型SSEと電極との間の界面抵抗を低減可
能であることを実証している。ゲルポリマー電解質は、イオン伝導性が高く、電気化学的
安定電位窓が広い。したがって、LLZCNガーネットSSEと電極との間の界面層とし
て使用することにより、電気化学的に安定なイオン伝導性の界面を提供することができる
。ゲルポリマー界面層を備えたSSEと電極との間のRctは、対称セルおよび完成セル
のインピーダンス分光法による測定により、カソードに対して248Ω×cm、Li金
属アノードに対して214Ω×cmである。この界面抵抗は、市販のリチウム金属セル
の生産の許容範囲である。ポリマー/ガーネット型SSEハイブリッド電解質を備えたL
i金属対称セルの実証により、安定した電圧プロファイルで15時間以上にわたってサイ
クルした。これにより、Li金属アノードとガーネット型SSEとの間のゲルポリマー界
面が電気化学的に安定であることが示された。電池の実現により、Li金属アノード、L
iFePOカソード、およびポリマー/ガーネットハイブリッド電解質を用いて、室温
で130回サイクルした。サイクル中、完成セルの界面Rctは一定であったが、これは
、ゲルポリマー電解質がLLCZNガーネット電解質とリチウムリン酸鉄電極との間に安
定した界面を形成可能であることを意味する。全体として、本研究では、純粋な固体電解
質の両側に2つのゲルポリマー層を被覆した組み合わせの新たなハイブリッドガーネット
ポリマー電解質を実証した。ゲルポリマー層のない不利な性能および6×10Ω×cm
の合計界面抵抗と比較して、ゲルポリマー界面の適用後は、室温での合計界面抵抗が低く
なる(約500Ω×cm)。
This example demonstrates that instead of pure SSE, polymer/garnet hybrid electrolytes can be used in good solid polymer battery designs to reduce the interfacial resistance between the garnet-type SSE and the electrode. . Gel polymer electrolytes have high ionic conductivity and a wide electrochemical stable potential window. Therefore, LLZCN garnet SSE can be used as an interfacial layer between an electrode and an electrochemically stable ionically conductive interface. R ct between the SSE with gel polymer interfacial layer and the electrode is 248 Ω×cm 2 for the cathode and 214 Ω×cm 2 for the Li metal anode as measured by impedance spectroscopy of the symmetrical and completed cells. is. This interfacial resistance is acceptable for production of commercial lithium metal cells. L with polymer/garnet-type SSE hybrid electrolyte
Demonstration of i-metal symmetric cells cycled over 15 hours with stable voltage profiles. This indicated that the gel-polymer interface between the Li metal anode and the garnet-type SSE was electrochemically stable. The realization of the battery has led to the Li metal anode, L
An iFePO4 cathode and a polymer/garnet hybrid electrolyte were used for 130 cycles at room temperature. The interface Rct of the finished cell was constant during cycling, which means that the gel polymer electrolyte can form a stable interface between the LLCZN garnet electrolyte and the lithium iron phosphate electrode. Overall, this study demonstrated a novel hybrid garnet-polymer electrolyte that is a combination of two layers of gel polymer coated on both sides of a pure solid electrolyte. Unfavorable performance without gel polymer layer and 6×10Ω×cm 2
The total interfacial resistance at room temperature is lower (about 500 Ω×cm 2 ) after application of the gel-polymer interface compared to the total interfacial resistance of .

実験
LLCZNパレットの合成
ガーネット型LiLa2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.2512粉末を
ゾルゲル法により合成した。前駆体LiNO(99%、Alfa Aesar製)、L
a(NO・6HO(99%、Alfa Aesar製)、Ca(NO・4
O(99.9%、Sigma Aldrich製)、NbCl(99%、Alfa
Aesar製)、およびジルコニウム(IV)プロポキシド(1-プロパノール中70
wt%、Sigma Aldrich製)を化学量論量で10wt%の過剰LiNO
含むエタノールに溶かし、透明になるまで溶液を撹拌した後、溶液に対する体積比1:4
で純粋な酢酸を添加した。エタノール溶媒を100℃で蒸発させ、ゲル前駆体を得た。ゲ
ルを350℃で加熱して乾燥前駆体粉末を得た後、800℃で10時間加熱してガーネッ
ト粉末を得た。粉末を48時間ボールミリングした後、円筒状パレットとなるように押圧
した。パレットの面積は、0.5cmである。その後、パレットを1150℃で12時
間にわたり焼結した。合成したパレットをサンドペーパーで研磨して、400μm~45
0μmまで薄くするとともに、イソプロピルアルコール(IPA)で洗浄した。
Synthesis of experimental LLCZN pallet Garnet- type Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12 powder was synthesized by sol-gel method. Precursor LiNO3 (99%, from Alfa Aesar), L
a( NO3 ) 3.6H2O (99%, manufactured by Alfa Aesar), Ca ( NO3 ) 2.4
H2O (99.9%, Sigma Aldrich), NbCl5 (99%, Alfa
Aesar), and zirconium (IV) propoxide (70 in 1-propanol).
wt%, from Sigma Aldrich) was dissolved in ethanol containing 10 wt% excess LiNO in a stoichiometric amount, and after stirring the solution until it became clear, the volume ratio to the solution was 1:4.
Pure acetic acid was added at . Ethanol solvent was evaporated at 100° C. to obtain a gel precursor. After the gel was heated at 350° C. to obtain dry precursor powder, it was heated at 800° C. for 10 hours to obtain garnet powder. After ball milling the powder for 48 hours, it was pressed into a cylindrical pallet. The area of the pallet is 0.5 cm 2 . The pallets were then sintered at 1150° C. for 12 hours. Grind the synthesized pallet with sandpaper to a thickness of 400 μm to 45 μm.
It was thinned to 0 μm and washed with isopropyl alcohol (IPA).

PVDF-HFPベースのゲルポリマー電解質の合成
以下の方法によりPVDF-HFPベースのゲルポリマー電解質を作製した。第1に、
1時間にわたる機械的撹拌の下、4.5gのアセトンおよび0.25gのエタノールの混
合物に0.25gのPVDF-HFP(Sigma Aldrich製)を溶かして均一
溶液を得た。そして、溶液を平坦なアルミ箔上にキャストし、湿度80%、温度25℃の
定湿度チャンバにおいて溶媒を蒸発させた。サンプルを60℃の真空下で5時間にわたり
乾燥させた。その後、均一な自立膜を得た。PVDF-HFP膜の厚さは、40μm前後
である。第2に、作製した多孔質PVDF-HFP膜を面積が0.2cmの小さな円形
フィルムへと裁断し、1:1のエチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(
DEC)液体電解質中の1M LiPFに1分間浸漬して、電解質に完全に浸るように
した。そして、膜の表面上の余分な液体をワイパーで取り去った。
Synthesis of PVDF-HFP Based Gel Polymer Electrolytes PVDF-HFP based gel polymer electrolytes were made by the following method. First,
A homogeneous solution was obtained by dissolving 0.25 g of PVDF-HFP (from Sigma Aldrich) in a mixture of 4.5 g of acetone and 0.25 g of ethanol under mechanical stirring for 1 hour. The solution was then cast onto a flat aluminum foil and the solvent was allowed to evaporate in a constant humidity chamber at 80% humidity and 25°C. The samples were dried under vacuum at 60° C. for 5 hours. After that, a uniform self-supporting film was obtained. The thickness of the PVDF-HFP membrane is around 40 μm. Second, the prepared porous PVDF-HFP membrane was cut into small circular films with an area of 0.2 cm 2 and 1:1 ethylene carbonate (EC):diethyl carbonate (
DEC) immersed in 1 M LiPF 6 in liquid electrolyte for 1 minute to ensure complete immersion in the electrolyte. Excess liquid on the surface of the membrane was then wiped off with a wiper.

材料の特性評価
40kVおよび40mAで動作するCuKα放射源を用いて、D8 Advanced
with LynxEye and SolX(Bruker AXS、WI、USA
)上でX線回折(XRD)により、LLCZNガーネットパレットの相解析を実行した。
電界放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM、JEOL 2100F)によって、作製した
LLCZNガーネットパレットおよびPVDF-HFP膜の微細構造の形態を調べた。
Material Characterization D8 Advanced using a CuKα radiation source operating at 40 kV and 40 mA
with LynxEye and SolX (Bruker AXS, WI, USA
) was performed on the LLCZN garnet palette by X-ray diffraction (XRD).
The microstructural morphology of the fabricated LLCZN garnet pallets and PVDF-HFP films was investigated by field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JEOL 2100F).

電池作製の電気化学的テスト
Li|SSE界面およびLiFePOカソード|SSE界面の両者について、界面イ
ンピーダンスを測定した。Liベルト(Sigma Aldrich製)から、面積が0
.2cmで厚さが0.5mmの円形ディスクとなるように、リチウム金属電極をプレス
型抜きした。カソードを作製するため、LiFePO、カーボンブラック、およびポリ
二フッ化ビニリデン(PVDF)を質量比3:2:1でN-メチル-2-ピロリドン(N
MP)に溶かし、混合してスラリーとした。スラリーをアルミ箔に被覆した後、100℃
のオーブンで12時間乾燥させた。乾燥後、カソードを面積が0.2cmの円形ディス
クへと裁断し、テスト前の1:1のエチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネー
ト(DEC)液体電解質中の1M LiPFに浸漬して、余分な液体電解質を取り去っ
た。アルゴン充填グローブボックスにおいて、電池の組み立ておよび電気化学的テストを
行った。電圧範囲-0.3V~4.5V、走査速度1mV/sでLi|ゲルポリマー|T
iセルのサイクリックボルタンメトリ(CV)をテストした。また、EISテスト用の対
称セルを作製した。各テストのセルの模式図は、対応するEISプロット中に示す。1つ
のステンレス鋼パレットをセルの各側に載せた状態で、クリップにより、電極、ゲル膜、
およびガーネットパレットを一体的に順次押圧した。Bio-Logicテスタによって
、セルの電気化学的性能をテストした。対称セルのEISテストでは、電圧振幅を10m
V、周波数範囲を0.1Hz~1MHzとした。ゲル界面層を備えたLi|SSE|Li
の定電流サイクルは、EISテストと同じ組み立て法を使用して、電流密度0.125m
A/cmで10分間にわたり実施した。15時間にわたるサイクル前後のセルのEIS
を測定して比較した。ガーネット、ゲル、および電解質層を一体的に押圧して、ゲルポリ
マー界面を備えたLi|SSE|LiFePO完成セルをCR2016コインセル中に
作製し、エポキシで封止した。このセルを2V~4.5Vの電圧範囲において50μA/
cmの定電流でサイクルし、サイクル前後のセルのEISを測定した。
Electrochemical Testing of Battery Fabrication Interfacial impedance was measured for both the Li|SSE interface and the LiFePO4 cathode|SSE interface. From the Li belt (manufactured by Sigma Aldrich), the area is 0
. Lithium metal electrodes were press die cut into circular disks of 2 cm 2 and 0.5 mm thickness. To make the cathode, LiFePO 4 , carbon black, and polyvinylidene difluoride (PVDF) were combined in a mass ratio of 3:2:1 with N-methyl-2-pyrrolidone (N
MP) and mixed to form a slurry. After coating the slurry on aluminum foil, heat at 100°C
oven for 12 hours. After drying, the cathode was cut into circular discs with an area of 0.2 cm2 and immersed in 1 M LiPF6 in a 1:1 ethylene carbonate (EC):diethyl carbonate (DEC) liquid electrolyte prior to testing to remove excess. removed the liquid electrolyte. Cells were assembled and electrochemically tested in an argon-filled glovebox. Li|gel polymer|T
Cyclic voltammetry (CV) of the i-cell was tested. A symmetrical cell for EIS testing was also fabricated. A schematic of each test cell is shown in the corresponding EIS plot. With one stainless steel pallet on each side of the cell, the clips held the electrodes, gel membrane,
and the garnet palette were pressed together sequentially. The electrochemical performance of the cells was tested by a Bio-Logic tester. For EIS testing of symmetrical cells, the voltage swing is 10 m
V, the frequency range was 0.1 Hz to 1 MHz. Li|SSE|Li with a gel interfacial layer
constant current cycles were performed using the same assembly method as the EIS test, with a current density of 0.125 m
A/cm 2 for 10 minutes. EIS of cells before and after cycling over 15 hours
were measured and compared. Li|SSE| LiFePO4 finished cells with gel-polymer interfaces were fabricated in CR2016 coin cells by pressing the garnet, gel, and electrolyte layers together and sealed with epoxy. This cell is 50 μA/
The cells were cycled at a constant current of cm 2 and the EIS of the cells before and after cycling was measured.

リチウム金属電池の系を調べた。40μm厚のゲルポリマー層のバルク抵抗は、7Ω×
cmである。図5は、ゲルポリマー界面を有さない電極|SSE|電極対称セルのイン
ピーダンスであって、(a)カソード|SSE|カソード対称セルのEIS、(b)Li
|SSE|Li対称セルのEISを示している。
A system of lithium metal batteries was investigated. The bulk resistance of a 40 μm thick gel polymer layer is 7 Ω×
cm2 . FIG. 5 shows the impedance of the electrode |SSE|
|SSE|Li shows the EIS of a symmetric cell.

本例は、本開示の固体ハイブリッド電解質の説明を与える。また、本例は、このような
電解質の構成および特性評価の例を与える。
This example provides a description of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. This example also provides an example of the construction and characterization of such electrolytes.

Li金属電池の化学的および物理的短絡を防止する固体イオン伝導性フレームワーク
化学的および物理的短絡は、可溶材料の移動およびLiデンドライトの貫通と関連して
、電池サイクル寿命の制限および熱暴走につながるLi金属電池の2つの重要な課題であ
る。これらの課題に対処するため、本例においては、構造的なガーネット型固体電解質(
SSE)および液体電解質から成る固体ハイブリッド電解質系を説明する。ハイブリッド
電解質は、通常の液体電解質を利用して、電極中の高イオン移動動態を維持するとともに
、SSEを採用して、電極および液体電解質を分離するのみならず、不要種の拡散および
Liデンドライトを阻止する。本例は、ガーネットSSEの化学的性質ならびに硫黄、多
硫化物、および液体電解質中の電気化学的安定性の調査と、高硫黄担持カソードの多孔質
層における連続したLi/電子経路ならびに多硫化物の拡散およびデンドライトの貫通
を阻止する高密度層を備えたハイブリッドLi-S電池用の二層ガーネットSSEフレー
ムワークの開発とを説明する。本研究は、完成セルレベルに基づいて、統合硫黄担持が7
mg/cmを超え、エネルギー密度が280Wh/kgを超え得ることを示した。初期
のクーロン効率は99.8%と高く、ハイブリッド系には化学的短絡も物理的短絡も観察
されなかった。この二層ハイブリッド構成は、Li-S電池を改善することが予想され、
この設計は、高電圧カソード(LNMO)および空気/Oカソード等の他のカソード材
料にも拡大して、従来の電池から全固体電池への移行の道を開くことが予想される。
Solid ion-conducting framework to prevent chemical and physical shorting in Li metal batteries Chemical and physical shorting are associated with fusible material migration and Li dendrite penetration, limiting battery cycle life and thermal runaway There are two important issues in Li metal batteries that lead to To address these issues, in this example, a structural garnet-type solid electrolyte (
SSE) and a solid hybrid electrolyte system consisting of a liquid electrolyte is described. The hybrid electrolyte utilizes a conventional liquid electrolyte to maintain high ion migration kinetics in the electrode and employs SSE to not only separate the electrode and liquid electrolyte, but also to prevent diffusion of unwanted species and Li dendrites. prevent. This example demonstrates the investigation of the chemistry and electrochemical stability of garnet SSEs in sulfur, polysulfides, and liquid electrolytes, and the continuous Li + /electron pathways and polysulfides in the porous layers of high-sulfur-loaded cathodes. We describe the development of a bilayer garnet SSE framework for hybrid Li—S batteries with dense layers that inhibit material diffusion and dendrite penetration. This study indicates that the integrated sulfur loading is 7, based on finished cell levels.
mg/cm 2 , indicating that the energy density can exceed 280 Wh/kg. The initial coulombic efficiency was as high as 99.8% and no chemical or physical short circuit was observed in the hybrid system. This bilayer hybrid configuration is expected to improve Li—S batteries,
This design is expected to be extended to other cathode materials such as high voltage cathodes (LNMO) and air/ O2 cathodes to pave the way for the transition from conventional to all-solid-state batteries.

ガーネットSSEの化学的性質ならびに硫黄、多硫化物、および液体電解質中の電気化
学的安定性を調査するとともに、高硫黄担持カソードの多孔質層における連続したLi
/電子経路ならびに多硫化物の拡散およびデンドライトの形成を阻止する高密度層を備え
たハイブリッドLi-S電池用の二層ガーネットSSEフレームワークを開発した。従来
の電池構成と比較して、固体ハイブリッド電池は、化学的および物理的短絡を防止するの
みならず、カソード質量担持の増大、液体電解質の捕捉、およびカソード体積変化の解放
が可能である。二層ハイブリッドLi-S電池の模式図を図6に示す。二層SSEにおい
ては、多孔質ガーネット層がより厚いため、支持される高密度層が数マイクロメートルま
で薄くなって、小さな電解質インピーダンスに寄与し得る。二層SSEが活物質を細孔中
に直接封入するため、これらの細孔は、活物質の体積変化に対応するように調節されて、
サイクル中の電池構造を安定に保つことができる。統合硫黄カソード担持が7mg/cm
を超え、提案のハイブリッドLi-S電池は、後続サイクルごとに高い初期クーロン効
率(99.8%超)および高いクーロン効率(99%超)を示し、ハイブリッド系におい
ては化学的短絡も物理的短絡も観察されなかった。この二層SSEは、Li-S電池に革
命をもたらす有望な方策を表す。また、カソード用の高い表面反応部位およびLiアノー
ド用の阻止層を備えたこの構造的ハイブリッド電解質設計は、高電圧カソード(LNMO
)および空気/Oカソード等の他のカソード材料を使用して、従来の電池から全固体電
池への移行の道を開くことが予想され得る。
Investigating the chemical properties of garnet SSEs and their electrochemical stability in sulfur, polysulfide, and liquid electrolytes, as well as continuous Li + in porous layers of high-sulfur-loaded cathodes
A bilayer garnet SSE framework for hybrid Li-S batteries with electronic pathways and dense layers that block polysulfide diffusion and dendrite formation was developed. Compared to conventional battery configurations, solid-state hybrid batteries are capable of increasing cathode mass loading, entrapping liquid electrolyte, and releasing cathode volume changes, as well as preventing chemical and physical short circuits. A schematic diagram of a bilayer hybrid Li—S battery is shown in FIG. In the bilayer SSE, the thicker porous garnet layer can reduce the thickness of the supported dense layer to a few micrometers, contributing to a small electrolyte impedance. Since the bilayer SSE directly encapsulates the active material in the pores, these pores are tuned to accommodate changes in the volume of the active material,
It can keep the battery structure stable during cycling. Integrated sulfur cathode loading of 7 mg/cm
2 , the proposed hybrid Li—S battery exhibits high initial coulombic efficiency (>99.8%) and high coulombic efficiency (>99%) for each subsequent cycle, indicating that neither chemical shorting nor physical No short circuit was observed. This bilayer SSE represents a promising approach to revolutionizing Li—S batteries. This structural hybrid electrolyte design with high surface reactive sites for the cathode and a blocking layer for the Li anode is also useful for high voltage cathodes (LNMO
) and other cathode materials such as air/O 2 cathodes can be expected to pave the way for the transition from conventional batteries to all-solid-state batteries.

ガーネット固体電解質の特性評価
犠牲細孔形成体としてLLCZN粉末スラリー含有ポリ(メチルメタクリレート)(P
MMA)球をテープに用いたテープキャスト法によって、多孔質構造を作製した。多孔質
テープを高密度テープに積層した後、共焼結によって有機ポリマーを除去することにより
、二層ガーネットSSEを作製した。作製の詳細については、本明細書を参照可能である
。図7aは、二層ガーネットSSEの写真画像を示している。手による取り扱いおよび直
列に一体積層して高電圧セルを得るのに適正な機械的強度を有する。空気および水分の影
響を受けやすい硫化物型の超イオン伝導体と異なり、ガーネットSSEは、乾燥空気中で
化学的にはるかに安定しており、乾燥室環境において取り扱い可能である。二層ガーネッ
トSSE構造の模式図を図7に示す。多孔質構造は、高密度層上に載置したため、極薄高
密度層の機械的強度を向上可能である。これらの細孔によるカソード材料のさらなる封入
によって、カソードおよび電解質の一体構造がもたらされる。図7bは、多孔質層の走査
電子顕微鏡(SEM)画像の上面図である。微小サイズの細孔が一様に分布しており、電
極スラリーが容易に内部構造へと達し得る。二層ガーネットSSEの断面を図7c~図7
eに示す。ガーネット粉末を約70%の孔隙率で3Dネットワークとなるように焼結した
。図7dは、多孔質層および高密度層の接続部を示しており、多孔質層および高密度層が
十分に焼結して剥離が観察されないことを示している。図7eの高密度ガーネット層は、
大きなガーネット結晶粒が高密度微細構造を構成し、この高密度層によって、可溶活物質
および液体電解質が固体電解質を通過しないように阻止可能であることを示している。図
7fは、35μmの高密度部および70μmの多孔質部を含む合計厚105μmの二層ガ
ーネットの断面である。
Characterization of Garnet Solid Electrolyte LLCZN powder slurry containing poly(methyl methacrylate) (P
The porous structure was fabricated by a tape casting method using MMA) spheres as the tape. A bilayer garnet SSE was made by laminating a porous tape to a dense tape and then removing the organic polymer by co-sintering. Details of fabrication can be referred to herein. FIG. 7a shows a photographic image of a bilayer garnet SSE. It has adequate mechanical strength for manual handling and integral stacking in series to obtain high voltage cells. Unlike sulfide-type superionic conductors, which are sensitive to air and moisture, garnet SSEs are much more chemically stable in dry air and can be handled in dry room environments. A schematic diagram of the bilayer garnet SSE structure is shown in FIG. Since the porous structure is placed on the high-density layer, it can improve the mechanical strength of the ultra-thin high-density layer. Further encapsulation of the cathode material by these pores results in a monolithic cathode and electrolyte structure. FIG. 7b is a top view of a scanning electron microscope (SEM) image of the porous layer. The micro-sized pores are uniformly distributed, and the electrode slurry can easily reach the internal structure. Cross-sections of the double-layer garnet SSE are shown in FIGS. 7c-7.
shown in e. Garnet powder was sintered into a 3D network with a porosity of about 70%. FIG. 7d shows the connection of the porous and dense layers, indicating that the porous and dense layers are sufficiently sintered and no delamination is observed. The dense garnet layer in Fig. 7e is
The large garnet grains constitute a dense microstructure, indicating that this dense layer can block the soluble active material and liquid electrolyte from passing through the solid electrolyte. FIG. 7f is a cross-section of a bilayer garnet with a total thickness of 105 μm containing a dense section of 35 μm and a porous section of 70 μm.

X線回折(XRD)によって、焼結ガーネットSSEの相を確認した。LiLa2.
75Ca0.25Zr1.75Nb0.2512(LLCZNO)に基づく合成したガ
ーネットSSEは、立方構造を示した。すべてのピークが標準的な立方ガーネットLi
LaNb12(PDF80-0457)とよく整合している。ラマンスペクトルに
おいては、広範かつ部分的に重畳した帯域によって、LLCZNOガーネットの立方相が
確認されるが、これは、他の場所で報告されたガーネットスペクトルに一致する。阻止セ
ルのセットアップを用いた電気化学的インピーダンス分光法(EIS)によって、イオン
伝導度を測定した。対称なAu/ガーネットSSE/Au阻止セルの構成には、高密度ガ
ーネットペレットを使用した。25℃~50℃の温度範囲でガーネットSSEのEISを
測定した(図11)。高周波における実軸の切片は、ガーネットSSEのバルク抵抗に割
り当てられ、窪んだ半円は、ガーネットSSEの粒界と関連付けられる。Au電極の容量
性挙動に対応する低周波の切片を用いて、バルクおよび粒界の寄与を含む合計抵抗を計算
した。σ=L/(Z×A)を用いてイオン伝導度を計算した(ただし、Zはナイキストプ
ロット中の実軸のインピーダンス、Lはガーネットセラミックディスク長、Aは表面積で
ある)。温度の逆数に対するガーネットSSEの対数イオン伝導度を図12にプロットす
る。アレニウスの式を用いることにより、温度の関数として、伝導度から0.35eVの
活性化エネルギーを計算した。
X-ray diffraction (XRD) confirmed the phases of the sintered garnet SSE. Li7La2 .
The synthesized garnet SSE based on 75 Ca 0.25 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12 (LLCZNO) exhibited a cubic structure. Cubic garnet Li 5 with all peaks standard
Good match with La 3 Nb 2 O 12 (PDF80-0457). In the Raman spectrum, broad and partially overlapping bands confirm the cubic phase of the LLCZNO garnet, which is consistent with garnet spectra reported elsewhere. Ionic conductivity was measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) using a blocking cell set-up. Dense garnet pellets were used in the construction of the symmetrical Au/garnet SSE/Au blocking cell. The EIS of garnet SSE was measured in the temperature range of 25° C. to 50° C. (FIG. 11). The intercepts of the real axis at high frequencies are assigned to the bulk resistance of the garnet SSE, and the recessed semicircles are associated with the grain boundaries of the garnet SSE. A low frequency intercept corresponding to the capacitive behavior of the Au electrode was used to calculate the total resistance including bulk and grain boundary contributions. Ionic conductivity was calculated using σ=L/(Z×A), where Z is the impedance of the real axis in the Nyquist plot, L is the garnet ceramic disk length, and A is the surface area. The log ionic conductivity of garnet SSE versus inverse temperature is plotted in FIG. The activation energy of 0.35 eV was calculated from the conductivity as a function of temperature by using the Arrhenius equation.

液体-固体ハイブリッド電解質系の化学的安定性
ガーネットSSEを多硫化リチウム溶液(DME/DOLに溶解したLi)およ
び液体電解質(DME/DOL中のLiTFSI)に浸漬してそれぞれの表面組成および
相構造を調べることにより、液体Li-S化学構造とのガーネットSSEの互換性を理解
する実験を行った。サンドペーパーによりガーネットペレットの表面を清浄してLi
を除去した後、液体電解質または多硫化リチウム溶液に1週間浸漬した。溶液に浸し
た後、DME/DOL溶媒によりガーネットSSEを洗浄し、乾燥させて別途特性評価を
行った。サンプルの移動は、酸素および水分汚染を回避するため、保護環境において行っ
た。ガーネットペレットをLi/DME/DOLに1週間浸漬した後、X線光電子
分光法解析(XPS)によって、ガーネット表面上の

Figure 2023088911000002
および
Figure 2023088911000003
を検出した(図9a)。30分間のArイオンスパッタリングで表面を清浄して、急峻な
ピークおよび高い強度によりS-2信号を検出した(図9b)。
Figure 2023088911000004
およびS-2のピークは、多硫化リチウムLiの分解であるLiおよびLi
Sに由来すると考えられる。図9cのイオンスパッタリングを伴う場合および伴わない
場合のガーネットのZr 3dスペクトルは、スパッタリング前にはガーネット表面にZ
r 3dが検出されないものの、スパッタリング後にはLLCZNOガーネットの指標で
あるZr 3dが検出され、ガーネット表面上に固体相間が形成されていることと、固体
相間がガーネット上で有限の厚さを有することとを示している。本発明者らの結果は、固
体電解質が液体電解質中に溶ける傾向にあり、接触領域においては、いわゆる固体-液体
電解質相間(SLEI)が観察され、固体電解質および有機電解質の両者からの分解生成
物が含まれることを報告した近年の研究により確認可能である。図9dのX線回折パター
ン(XRD)は、ガーネット粉末が立方相構造を維持し、多硫化リチウムおよび液体電解
質に浸した後には相変化が観察されないことを示している。XPSの結果は、液体電解質
およびガーネット固体電解質がある程度まで多硫化物溶液中で分解したことを示すものの
、Li/SSE/Li対称セルおよびLi-S完成セルの安定した立方相および電気化学
的性能から、液体電解質および硫黄還元種の環境においてガーネット固体電解質がうまく
機能し得ることが十分に示されている。同じ条件下で処理されたガーネットのラマンスペ
クトルから、ガーネット立方構造が安定を維持していることが確認される(図8e)。高
分解能透過電子顕微鏡法(TEM)は、厚さが約4nmのアモルファス層がガーネットナ
ノ粉末表面に形成されたことを示しており、ガーネットがわずかに分解したものと考えら
れる(図8f)。また、ガーネットナノ粉末を硫黄と混合して160℃で24時間にわた
って加熱することにより、ガーネットおよび硫黄の化学的安定性を調べた。サンプルを二
硫化炭素(CS)で洗浄して硫黄を除去した後、XRDにおいてガーネットの構造を特
性評価した。図8fのXRDパターンからも、標準的なガーネットLLZOのXRDパタ
ーンと同じ立方構造が確認される。硫黄還元種を伴うガーネット固体電解質の安定性を理
解するため、コンピュータ解析の実行によって、ガーネットおよび多硫化物の化学的安定
性をシミュレーションした。コンピュータ解析の結果は、LiSの形成により界面で自
己抑制効果が生じ、ガーネットと多硫化物との間の反応がそれ以上進まなくなることを示
している。 Chemical Stability of Liquid-Solid Hybrid Electrolyte Systems Garnet SSEs were immersed in lithium polysulfide solutions (Li 2 S 8 dissolved in DME/DOL) and liquid electrolytes (LiTFSI in DME/DOL) to determine the respective surface compositions and Experiments were conducted to understand the compatibility of garnet SSEs with liquid Li—S chemistries by examining the phase structure. Li 2 C by cleaning the surface of the garnet pellet with sandpaper
After removing O3 , they were immersed in liquid electrolyte or lithium polysulfide solution for one week. After soaking in the solution, the garnet SSE was washed with DME/DOL solvent, dried and separately characterized. Sample transfers were performed in a protected environment to avoid oxygen and moisture contamination. After immersing the garnet pellets in Li 2 S 8 /DME/DOL for 1 week, X-ray photoelectron spectroscopy analysis (XPS) revealed
Figure 2023088911000002
and
Figure 2023088911000003
was detected (Fig. 9a). After cleaning the surface with Ar ion sputtering for 30 minutes, the S -2 signal was detected with a sharp peak and high intensity (Fig. 9b).
Figure 2023088911000004
and S −2 peaks are the decomposition of lithium polysulfide Li 2 S 8 Li 2 S 2 and Li
2S . The Zr 3d spectra of garnet with and without ion sputtering in Fig. 9c show that Z on the garnet surface before sputtering.
Although r 3d is not detected, Zr 3d, which is an indicator of LLCZNO garnets, is detected after sputtering, indicating that solid interphases are formed on the garnet surface and that the solid interphases have a finite thickness on the garnet. is shown. Our results show that the solid electrolyte tends to dissolve in the liquid electrolyte, and in the contact area a so-called solid-liquid electrolyte interphase (SLEI) is observed, with decomposition products from both solid and organic electrolytes. This can be confirmed by a recent study that reported that The X-ray diffraction pattern (XRD) in Fig. 9d shows that the garnet powder maintains a cubic phase structure and no phase change is observed after soaking in lithium polysulfide and liquid electrolyte. Although the XPS results indicate that the liquid electrolyte and the garnet solid electrolyte decomposed to some extent in the polysulfide solution, the stable cubic phase and electrochemical performance of the Li/SSE/Li symmetric cell and the Li—S finished cell well demonstrated that garnet solid electrolytes can perform well in the environment of liquid electrolytes and sulfur-reducing species. The Raman spectrum of garnet treated under the same conditions confirms that the garnet cubic structure remains stable (Fig. 8e). High-resolution transmission electron microscopy (TEM) showed that an amorphous layer with a thickness of ~4 nm was formed on the surface of the garnet nanopowder, possibly due to slight decomposition of the garnet (Fig. 8f). The chemical stability of garnet and sulfur was also investigated by mixing garnet nanopowder with sulfur and heating at 160° C. for 24 hours. The garnet structure was characterized in XRD after the sample was washed with carbon disulfide ( CS2 ) to remove sulfur. The XRD pattern in FIG. 8f also confirms the same cubic structure as that of standard garnet LLZO. To understand the stability of garnet solid electrolytes with sulfur reducing species, computer analysis was performed to simulate the chemical stability of garnet and polysulfides. Computer analysis indicates that the formation of Li 2 S causes a self-limiting effect at the interface, preventing further reaction between garnet and polysulfide.

ハイブリッド液体-固体電解質の電気化学的特性評価
SSEと電極との間の界面の構造および化学的性質が固体電解質の主要な課題である。
近年の研究は、界面での不十分な接触がLiに対するガーネットSSEの大きな界面抵抗
につながる主要因であることを示している。固体電解質と電極との間に液体電解質中間層
を用いて液相を導入することは、それぞれの界面抵抗を抑える効果的な方法となるはずで
ある。この研究の一環として、Li金属に対するガーネットSSEの界面修飾に焦点が当
てられている。図9aは、ガーネットSSE高密度表面の模式図である。個々の細孔がガ
ーネット表面に分布し、これらの空洞によって、ガーネットはLi金属との表面積が制限
される(図9b)。また、起伏のある堅固なガーネット表面は、Li金属とのコンフォー
マル接触が不十分で、界面抵抗が高くなる。図9cにおいては、ポリマーゲル状層がガー
ネットSSE表面をコンフォーマルに被覆するように設計されている。この層が液体電解
質を吸収可能であるのみならず、弾性中間層がガーネットSSEとリチウム金属との間の
密接触を保証可能である。図9dは、ポリマー被覆ガーネットSSEの断面を示している
。ガーネットSSE表面には、スピンコートによってポリエチレンオキシド(PEO)ポ
リマーを堆積させた。PEOは、2μmの厚さを有し、ガーネットSSEをコンフォーマ
ルに被覆している(図8e)。この弾性ポリマー層は、ガーネットおよびLi金属の起伏
を補償するとともに、界面を通る均一なLiイオン束を保証可能である。電気化学的イン
ピーダンス分光法(EIS)測定のナイキストプロットは、合計インピーダンスが約90
0Ω・cmであったことを示している(図9e)。
Electrochemical Characterization of Hybrid Liquid-Solid Electrolytes The structure and chemistry of the interface between the SSE and the electrode is a major challenge for solid electrolytes.
Recent studies have shown that poor contact at the interface is the main factor leading to the large interfacial resistance of garnet SSEs to Li. Introducing a liquid phase using a liquid electrolyte interlayer between the solid electrolyte and the electrode should be an effective way to reduce the respective interfacial resistance. As part of this work, the focus is on interfacial modification of garnet SSEs to Li metal. FIG. 9a is a schematic representation of a garnet SSE dense surface. Individual pores are distributed on the garnet surface and these cavities limit the garnet's surface area with Li metal (Fig. 9b). Also, the rough and rigid garnet surface makes poor conformal contact with the Li metal, resulting in high interfacial resistance. In FIG. 9c, a polymer gel-like layer is designed to conformally coat the garnet SSE surface. Not only can this layer absorb the liquid electrolyte, but the elastic intermediate layer can ensure intimate contact between the garnet SSE and the lithium metal. Figure 9d shows a cross-section of a polymer-coated garnet SSE. A polyethylene oxide (PEO) polymer was deposited on the garnet SSE surface by spin coating. The PEO has a thickness of 2 μm and conformally coats the garnet SSE (Fig. 8e). This elastic polymer layer can compensate for the undulations of the garnet and Li metal and ensure a uniform Li ion flux through the interface. The Nyquist plot of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement shows that the total impedance is approximately 90
0 Ω·cm 2 (Fig. 9e).

定電流の印加による対称セル中のLiイオンの定電流プレーティングおよびストリッピ
ングによって現実のリチウム金属電池の作動条件を模倣することにより、界面の安定性を
特性評価した。図8fは、0.3mA/cmの電流下でのLi/ハイブリッドSSE/
Liセルの時間に応じた電圧プロファイルを示している。正の電圧がLiストリッピング
を示し、負の電圧がLiプレーティングである。セルは、サイクルごとに0.5時間動作
させた。セルは、最初は±0.3Vの電圧を示したが、10時間のサイクル後は、電圧が
±0.2Vまで徐々に低下した。比較として、Li/ガーネット/Li対称セルも作製し
てテストした。ハイブリッドセルの場合は、160時間を超えてサイクルを保ち、ストリ
ッピング/プレーティング電圧は比較的安定したままであった。差し込み図は、2種類の
セルの初期サイクルおよびハイブリッドセルの140時間目のサイクルを示している。高
いインピーダンスおよび大きな分極が観察された。滑らかではない電圧プラトーがLiと
ガーネットとの間の大きな界面抵抗を示唆している。ハイブリッドセルは、滑らかな電圧
曲線を示した。電圧を電流で除して抵抗が計算されるオームの法則に従って対称の合計抵
抗が求められるため、初期抵抗が約1000Ω・cmであり、その後はセル抵抗が約6
60Ω・cmに維持されたが、これは、図9のEISと整合する。これらの直流(DC
)抵抗は、EISにより測定した交流(AC)抵抗よりもわずかに高い。抵抗の低下は、
Liのストリッピングおよびプレーティングの繰り返しにおいて、ガーネットとLi金属
との間の抵抗がゲル電解質中間層によって改善されたことを示している。電圧プロファイ
ルの周期的な変動は、固体ハイブリッド電解質の温度依存性を示している。図8gおよび
図8hの0.5および1.0mA/cmの電流下でのLi/ハイブリッドSSE/Li
セルの電圧プロファイルは、ハイブリッド電解質の高電流容量を実証している。
The interfacial stability was characterized by mimicking the operating conditions of a real lithium metal battery by galvanostatic plating and stripping of Li ions in a symmetrical cell by applying a galvanostatic current. Fig. 8f shows the Li/ Hybrid SSE/
Figure 3 shows the voltage profile as a function of time for a Li cell; A positive voltage indicates Li stripping and a negative voltage is Li plating. The cell was operated for 0.5 hours per cycle. The cell initially showed a voltage of ±0.3V, but the voltage gradually decreased to ±0.2V after the 10 hour cycle. As a comparison, a Li/garnet/Li symmetrical cell was also constructed and tested. For the hybrid cell, the stripping/plating voltage remained relatively stable while cycling over 160 hours. The inset shows the initial cycle for the two types of cells and the 140th hour cycle for the hybrid cell. High impedance and large polarization were observed. A non-smooth voltage plateau suggests a large interfacial resistance between Li and garnet. Hybrid cells showed a smooth voltage curve. The symmetrical total resistance is determined according to Ohm's Law, where the resistance is calculated by dividing the voltage by the current, resulting in an initial resistance of about 1000 Ω cm , and thereafter a cell resistance of about 6
It was maintained at 60 Ω·cm 2 , which is consistent with the EIS of FIG. These direct currents (DC
) resistance is slightly higher than the alternating current (AC) resistance measured by EIS. The drop in resistance is
It shows that the resistance between garnet and Li metal was improved by the gel electrolyte interlayer in repeated Li stripping and plating. The periodic variation of the voltage profile indicates the temperature dependence of the solid hybrid electrolyte. Li/Hybrid SSE/Li under currents of 0.5 and 1.0 mA/cm 2 in FIGS. 8g and 8h
The voltage profile of the cell demonstrates the high ampacity of the hybrid electrolyte.

ハイブリッドLi-S電池の電気化学的評価
Li-S電池の固体ハイブリッド電解質の電気化学的特性評価を図10に示す。図10
aにおいては、従来の電解質および固体ハイブリッド電解質を備えたLi-S電池の模式
図を比較している。可溶多硫化物は、多孔質ポリマーセパレータを通じて拡散し、Li金
属アノードに移動し得るが、高密度セラミックイオン伝導体を貫通できないため、多硫化
物のシャトル効果、Li上の副反応、およびLi金属の腐食を回避できる。図10bに示
すように、多硫化物のシャトリング挙動は充電プロセスにおいて発生する。充電電圧プラ
トーの延長は、典型的な多硫化物のシャトル効果であり、上側カットオフ電圧に至る前の
長時間充電の原因となる。従来のLi-Sにおける急速な容量低下および低いクーロン効
率(図13)から、固体ハイブリッド構成の使用が急務となっている。ハイブリッドセル
においては、充電曲線がプラトーの延長を示しておらず、容量値が放電容量に近くてクー
ロン効率が100%に近く、安定したサイクル性能をもたらしており(図14)、固体ハ
イブリッド電解質系には多硫化物のシャトリングが存在しないことが実証されている。
Electrochemical Characterization of Hybrid Li—S Batteries Electrochemical characterization of solid state hybrid electrolytes of Li—S batteries is shown in FIG. Figure 10
In a, schematics of Li—S batteries with conventional and solid-state hybrid electrolytes are compared. Soluble polysulfides can diffuse through the porous polymer separator and migrate to the Li metal anode, but cannot penetrate the dense ceramic ion conductor, resulting in polysulfide shuttle effects, side reactions on Li, and Li Avoid metal corrosion. As shown in Figure 10b, the shuttling behavior of polysulfides occurs during the charging process. The prolongation of the charge voltage plateau is a typical polysulfide shuttle effect, causing a long charging time before reaching the upper cut-off voltage. The rapid capacity decay and low coulombic efficiency (Fig. 13) in conventional Li-S make the use of solid-state hybrid configurations imperative. In the hybrid cell, the charge curve does not show an extended plateau, the capacity value is close to the discharge capacity and the coulombic efficiency is close to 100%, resulting in stable cycling performance (Fig. 14), and the solid hybrid electrolyte system demonstrated the absence of polysulfide shuttling.

図10cは、異なる電流密度でのハイブリッドセルの充放電曲線を示している。高密度
ガーネットSSEおよびスラリーキャスト硫黄カソードを用いてハイブリッドセルを作製
した。硫黄の質量担持は、約1.2mg/cmである。通常の液体電解質(DME/D
OL中のLiTFSI)を液体電解質として使用する。なお、液体電解質にLiNO
添加しなかった。電流密度200mA/gにおいて、硫黄カソードは、約100%のクー
ロン効率で約1000mAh/gの比容量をもたらした。電流密度800mA/g(1m
A/cmに対応)においては、比容量が550mAh/gであり、セルは依然として、
100%に近い高クーロン効率を維持していた。レート性能を図10dに示す。ハイブリ
ッドセルは、高い電流密度で良好なサイクル安定性を示すとともに、小さな電流で良好な
容量保持を示した。
FIG. 10c shows charge-discharge curves of the hybrid cell at different current densities. A hybrid cell was fabricated using a dense garnet SSE and a slurry cast sulfur cathode. The sulfur mass loading is about 1.2 mg/cm 2 . Ordinary liquid electrolyte (DME/D
LiTFSI in OL) is used as the liquid electrolyte. No LiNO 3 was added to the liquid electrolyte. At a current density of 200 mA/g, the sulfur cathode yielded a specific capacity of about 1000 mAh/g with a coulombic efficiency of about 100%. Current density 800mA/g (1m
A/cm 2 ), with a specific capacity of 550 mAh/g, the cell still
A high coulombic efficiency close to 100% was maintained. The rate performance is shown in Figure 10d. The hybrid cells showed good cycling stability at high current densities and good capacity retention at low currents.

図10eは、固体ハイブリッド二層Li-S電池の模式図である。硫黄を厚い多孔質層
に封入しており、硫黄およびその可溶多硫化物の体積変化は、固体ガーネットマトリクス
により対応可能である。160℃で硫黄粉末を多孔質マトリクスに直接溶融させることに
よって、硫黄を担持させた。硫黄の溶融前に、カーボンナノチューブ(CNT)を多孔質
ガーネットの微細構造に浸潤させて、内側に電子伝導性ネットワークを構成した(図15
)。二層Li-Sカソードの断面および元素マッピング(Laが赤色、Sが緑色)を図1
0fに示す。元素マッピング画像は、ガーネットの細孔中の硫黄分を明らかに示している
。硫黄とガーネットとの間の空隙によって、液体電解質が内部チャネルへと容易に入り込
み、硫黄を洗浄する。図10gは、電流密度0.2mA/cmにおけるS質量担持が約
7.5mg/cmのハイブリッド二層Li-Sセルの充放電電圧プロファイルを示して
いる。最初のサイクルの放電容量は約645mAh/gであり、クーロン効率は99.8
%であるが、これは例外的に高い値である。長く平坦な電圧プラトーは、充放電曲線間の
相容れない分極を示している。これは、表面積が大きくて硫黄との反応部位が増え、電圧
分極の低下および良好な容量を可能にする多孔質ガーネットSSEが寄与しているはずで
ある。サイクル性能を図10hに示す。最初の数サイクルに急激な容量の伸びは発生して
おらず、このように硫黄の質量担持が高いハイブリッドセルでは、多硫化物が失われない
ことを示している。クーロン効率が99%超を維持しており、ハイブリッド設計において
シャトル効果が発生していないことが確認される。質量担持が7.5mg/cmのハイ
ブリッド二層Li-Sセルは、カソード、Liアノード、および電解質に基づくエネルギ
ー密度が280Wh/kgである。サイクル性能がわずかに低下しているが、これは、充
電生成物LiSおよびLiが後続サイクルで再活性化されず、硫黄の高い質量担
持がバルク硫黄負荷の内側でのさらなる反応を妨げたことによると考えられる。電子伝導
性ネットワークおよび硫黄分布の増大が非常に望ましい。本例においては、モデル材料と
しての固体硫黄を用いてハイブリッド電解質およびハイブリッドセルを調べたほか、液体
多硫化物を有するカソード液の使用がガーネットSSEの二層多孔質高密度設計にも当て
はまる別の方法となり得ることが予想される。
FIG. 10e is a schematic diagram of a solid-state hybrid bilayer Li—S battery. Sulfur is encapsulated in a thick porous layer, and the volume change of sulfur and its soluble polysulfides can be accommodated by the solid garnet matrix. Sulfur was loaded by directly melting sulfur powder into the porous matrix at 160°C. Carbon nanotubes (CNTs) were infiltrated into the porous garnet microstructure to form an electronically conductive network inside before sulfur melting (Fig. 15).
). Figure 1 shows the cross-section and elemental mapping of the bilayer Li-S cathode (La is red, S is green).
0f. Elemental mapping images clearly show the sulfur content in the pores of the garnet. The voids between the sulfur and the garnet allow the liquid electrolyte to easily enter the internal channels and wash the sulfur. FIG. 10g shows charge-discharge voltage profiles of a hybrid bilayer Li—S cell with an S mass loading of about 7.5 mg/cm 2 at a current density of 0.2 mA/cm 2 . The first cycle discharge capacity is about 645 mAh/g and the coulombic efficiency is 99.8.
%, which is an exceptionally high value. A long, flat voltage plateau indicates an irreconcilable polarization between the charge-discharge curves. This should be attributed to the porous garnet SSE, which has a higher surface area and more reaction sites with sulfur, allowing for lower voltage polarization and better capacity. Cycle performance is shown in Figure 10h. No sharp capacity growth occurred in the first few cycles, indicating that polysulfides are not lost in hybrid cells with such high mass loading of sulfur. Coulombic efficiency remains above 99%, confirming that no shuttle effect occurs in the hybrid design. A hybrid bilayer Li—S cell with a mass loading of 7.5 mg/cm 2 has an energy density of 280 Wh/kg based on cathode, Li anode, and electrolyte. Although cycle performance is slightly degraded, this is due to the fact that the charge products Li2S and Li2S2 are not reactivated in subsequent cycles and the high mass loading of sulfur leads to further reactions inside the bulk sulfur loading. This is thought to be due to the fact that it prevented An electronically conductive network and increased sulfur distribution are highly desirable. In this example, in addition to investigating hybrid electrolytes and hybrid cells using solid sulfur as a model material, the use of a catholyte with liquid polysulfides is also applicable to the two-layer porous high-density design of garnet SSEs. It is anticipated that this will be a method.

以上のように、ガーネットSSEの化学的性質ならびに硫黄、多硫化物、および液体電
解質中の電気化学的安定性を開示するとともに、高硫黄担持カソードの多孔質層における
連続したLi/電子経路ならびに多硫化物の拡散およびデンドライトの貫通を阻止する
高密度層を備えたハイブリッドLi-S電池用の二層ガーネットSSEフレームワークを
開発した。従来の電池構成と比較して、固体ハイブリッド電池は、化学的および物理的短
絡を防止するのみならず、カソード質量担持の増大、液体電解質の捕獲、およびカソード
体積変化の解放が可能である。二層SSEが活物質を細孔中に直接封入するため、これら
の細孔は、活物質の体積変化に対応するように調節されて、サイクル中の電池構造を安定
に保つことができる。本発明者らの研究が示すこととして、統合硫黄カソード担持が7m
g/cmを超え、提案のハイブリッドLi-S電池は、後続サイクルごとに高い初期ク
ーロン効率(99.8%超)および高いクーロン効率(99%超)を示し、ハイブリッド
系においては化学的短絡も物理的短絡も観察されなかった。この構造的ハイブリッド電解
質は、Li-S電池の改良と考えられる。また、この設計は、高電圧カソード(LNMO
)および空気/Oカソード等、高性能電池の他のカソード材料にも拡大して、従来の電
池から全固体電池への移行の道を開くことが予想される。
Thus, we have disclosed the chemistry and electrochemical stability of garnet SSEs in sulfur, polysulfides, and liquid electrolytes, along with continuous Li + /electron pathways and A bilayer garnet SSE framework for hybrid Li—S batteries with dense layers that inhibit polysulfide diffusion and dendrite penetration was developed. Compared to conventional battery configurations, solid-state hybrid batteries are capable of increasing cathode mass loading, capturing liquid electrolyte, and releasing cathode volume changes, as well as preventing chemical and physical short circuits. Since the bilayer SSE directly encapsulates the active material in the pores, these pores can be adjusted to accommodate volume changes of the active material to keep the battery structure stable during cycling. Our studies show that the integrated sulfur cathode loading is 7 m
g/cm 2 , the proposed hybrid Li—S battery exhibits high initial coulombic efficiency (>99.8%) and high coulombic efficiency (>99%) for each subsequent cycle, and no chemical short circuit in the hybrid system. No physical shorts were observed. This structural hybrid electrolyte is considered an improvement of the Li—S battery. This design also uses a high voltage cathode (LNMO
) and air/ O2 cathodes for high-performance batteries, paving the way for the transition from conventional to all-solid-state batteries.

改良ゾルゲル法によってLLCZN粉末を合成した。出発原料は、LiNO(99%
、Alfa Aesar製)、La(NO(99.9%、Alfa Aesar製
)、Ca(NO(99.9%、Sigma Aldrich製)、ZrO(NO
(99.9%、Alfa Aesar製)、およびNbCl(99.99%、Al
fa Aesar製)とした。これらの化学物質の化学量論量を脱イオン水に溶かし、1
0%の過剰LiNOを添加して、高温ペレット作製時のリチウム揮発を補償した。クエ
ン酸およびエチレングリコール(1:1モル比)を溶液に添加した。溶液を120℃で1
2時間にわたり蒸発させて前駆体ゲルを生成した後、400℃および800℃に5時間焼
成して、ガーネット粉末を合成した。そして、ガーネット粉末を一軸押圧してペレットに
した後、同種の粉末で覆って1050℃で12時間にわたり焼結した。
LLCZN powder was synthesized by a modified sol-gel method. The starting material is LiNO 3 (99%
, Alfa Aesar), La( NO3 ) 3 (99.9%, Alfa Aesar), Ca( NO3 ) 2 (99.9%, Sigma Aldrich), ZrO ( NO3
) 2 (99.9%, from Alfa Aesar), and NbCl 5 (99.99%, Al
fa Aesar). Dissolve stoichiometric amounts of these chemicals in deionized water and
0% excess LiNO 3 was added to compensate for lithium volatilization during hot pellet making. Citric acid and ethylene glycol (1:1 molar ratio) were added to the solution. the solution at 120°C for 1
After evaporating for 2 hours to form a precursor gel, it was calcined at 400° C. and 800° C. for 5 hours to synthesize garnet powder. The garnet powder was then uniaxially pressed into pellets, covered with the same powder and sintered at 1050° C. for 12 hours.

材料の特性評価
40kVおよび40mAで動作するCuKα放射源を用いて、D8 Advanced
with LynxEye and SolX(Bruker AXS、WI、USA
)上で粉末X線回折(XRD)により、相解析を実行した。電界放射型走査電子顕微鏡(
FE-SEM、JEOL 2100F)によって、サンプルの形態を調べた。
Material Characterization D8 Advanced using a CuKα radiation source operating at 40 kV and 40 mA
with LynxEye and SolX (Bruker AXS, WI, USA
) was performed by powder X-ray diffraction (XRD). field emission scanning electron microscope (
The morphology of the samples was examined by FE-SEM, JEOL 2100F).

電気化学的特性評価
アルゴン充填グローブボックスにおいてLi|固体電解質|Li対称セルを作製し、組
み立てた。ガーネット固体電解質のイオン伝導度を測定するため、高密度セラミックディ
スクの両側をAuペーストで被覆し、阻止電極として作用させた。金電極を700℃で焼
結して、セラミックペレットとの良好な接触を形成した。そして、高導電性炭素スポンジ
を備えた2032コインセルとしてセルを組み立てた。炭素スポンジは、緩衝体として作
用し、ガーネットセラミックディスクの損傷を防止した。電池テストクリップを用いて、
コインセルとの良好な接触を保持・提供した。セルの縁部は、エポキシ樹脂で封止した。
50mVの摂動振幅で1MHz~100mHzの周波数範囲のEISを実行した。σ=L
/(Z×A)を用いて伝導度を計算した(ただし、Zはナイキストプロット中の実軸のイ
ンピーダンス、Lはガーネットセラミックディスク長、Aは表面積である)。アレニウス
の式を用いることにより、温度の関数として、伝導度から活性化エネルギーを求めた。
Electrochemical Characterization A Li|solid electrolyte|Li symmetric cell was fabricated and assembled in an argon-filled glovebox. To measure the ionic conductivity of the garnet solid electrolyte, a high-density ceramic disc was coated on both sides with Au paste to act as a blocking electrode. Gold electrodes were sintered at 700° C. to form good contact with the ceramic pellet. The cell was then assembled as a 2032 coin cell with a highly conductive carbon sponge. The carbon sponge acted as a buffer and prevented damage to the garnet ceramic disc. Using the battery test clip,
It held and provided good contact with the coin cell. The edges of the cell were sealed with epoxy resin.
EIS was performed in the frequency range from 1 MHz to 100 mHz with a perturbation amplitude of 50 mV. σ=L
Conductivity was calculated using /(ZxA), where Z is the impedance of the real axis in the Nyquist plot, L is the garnet ceramic disc length, and A is the surface area. Activation energy was determined from conductivity as a function of temperature by using the Arrhenius equation.

第1原理計算
過去の研究において規定されたのと同じ手法を用いて、界面は、LiS/Li
およびガーネットSSEの擬2元系と考えられる。考え得る熱力学的に有利な反応を識別
するように相図を構築した。本発明者らの研究に使用した材料のエネルギーは、Mate
rials Project(MP)データベースから取得し、また、pymatgen
パッケージを使って組成相図を構築した。本発明者らの過去の研究において規定されたの
と同じ手法を用いて、擬2元系の相互反応エネルギーを計算した。
First-principles calculations Using the same approach as defined in previous work, the interface is Li 2 S/Li 2 S 8
and garnet SSE. A phase diagram was constructed to identify possible thermodynamically favorable reactions. The energy of the material used in our study is Mate
obtained from the rials Project (MP) database and also from the pymatgen
A compositional phase diagram was constructed using the package. We calculated the interaction energies of the quasi-binary system using the same procedure defined in our previous work.

固体ハイブリッド電池の作製と評価
セルはすべて、アルゴン充填グローブボックスにおいて組み立てた。固体ハイブリッド
セルを2032コインセルとして組み立てた。硫黄電極は、70%の元素硫黄粉末(Si
gma製)、20%のカーボンブラック、および10%の水中ポリビニルピロリドン(P
VP、Sigma製、M=360,000)バインダから成る。60℃で24時間にわ
たり、真空中で電極を乾燥させた。固体ハイブリッドLi-S電池の電解質として、ジメ
トキシエタン(DME)および1,3-ジオキソラン(DOL)(体積比1:1)の混合
物中の1M ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミドリチウム塩(LiTFSI、S
igma製)を使用した。LiNOは添加しなかった。電解質/硫黄質量比は、カソー
ド側で約10ml/gである。セルは、2032コインセルにおいてテストした。1~3
.5Vのカットオフ電圧窓を用いて、定電流充放電テストを測定した。二層カソードを作
製するため、多孔質ガーネット上に元素硫黄粉末を一様に分散させ、160℃で加熱して
硫黄を溶融させた。硫黄の溶融前に、ジメチルホルムアミド(DMF)中の10wt%カ
ーボンナノチューブ(CNT)インクを作製し、二層ガーネットSSEの多孔質層に滴入
して、100℃の真空中で12時間乾燥させた。
Fabrication and evaluation of solid-state hybrid batteries All cells were assembled in an argon-filled glovebox. A solid state hybrid cell was assembled as a 2032 coin cell. The sulfur electrode consists of 70% elemental sulfur powder (Si
gma), 20% carbon black, and 10% polyvinylpyrrolidone in water (P
VP, manufactured by Sigma, M w =360,000) binder. The electrodes were dried in vacuum at 60° C. for 24 hours. 1 M bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt (LiTFSI, S) in a mixture of dimethoxyethane (DME) and 1,3-dioxolane (DOL) (1:1 by volume) as the electrolyte for solid-state hybrid Li-S batteries.
igma) was used. No LiNO 3 was added. The electrolyte/sulphur mass ratio is about 10 ml/g on the cathode side. Cells were tested in 2032 coin cells. 1 to 3
. Galvanostatic charge-discharge tests were measured using a cut-off voltage window of 5V. To prepare the bilayer cathode, elemental sulfur powder was uniformly dispersed on the porous garnet and heated at 160° C. to melt the sulfur. A 10 wt% carbon nanotube (CNT) ink in dimethylformamide (DMF) was prepared, dropped into the porous layer of bilayer garnet SSE and dried in vacuum at 100 °C for 12 h before sulfur melting. .

図11~図15は、本例に記載の二層ガーネット構造の特性評価を表す。 Figures 11-15 represent the characterization of the bilayer garnet structure described in this example.

本例は、本開示の固体ハイブリッド電解質の説明を与える。また、本例は、このような
電解質の構成および特性評価の例を与える。
This example provides a description of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. This example also provides an example of the construction and characterization of such electrolytes.

3次元二層ガーネット固体電解質ベースの高エネルギー密度リチウム金属-硫黄電池
本例は、3次元(3D)固体電解質フレームワークおよび多種多様なカソード化学構造
を利用可能なリチウム金属アノードを用いた安全で高エネルギー密度の固体ハイブリッド
電池の新たな設計を説明する。この固体電解質フレームワークは、次世代の高エネルギー
密度Li金属電池の新たな研究の方向性を開ける可能性がある。
High Energy Density Lithium Metal-Sulfur Battery Based on Three-Dimensional Bilayer Garnet Solid Electrolyte A novel design of an energy-dense solid-state hybrid battery is described. This solid electrolyte framework may open new research directions for next-generation high-energy-density Li-metal batteries.

化学的/物理的短絡および電極の体積変化という課題に同時に対処するため、本発明者
らは、先進のLi金属電池に向けての3次元(3D)二層ガーネット固体電解質フレーム
ワークを示した。高密度層の厚さを数ミクロンまで小さくしつつ、良好な機械的安定性を
保つことによって、Li金属アノードの安全な使用を可能にする。厚い多孔質層は、高負
荷のカソード材料のホストおよび連続的なイオン移動の経路提供の両者として機能する薄
い高密度層の機械的支持部として作用する。結果が示すこととして、統合硫黄カソード担
持が7mg/cmを超える一方、提案のハイブリッドLi-S電池は、後続サイクルに
おいて、高い初期クーロン効率(99.8%超)および高い平均クーロン効率(99%超
)を示す。この電解質フレームワークは、全固体電池への移行によってLi金属電池を改
善することが予想され、また、他のカソード材料にも拡張可能である。
To simultaneously address the challenges of chemical/physical short circuit and electrode volume change, we presented a three-dimensional (3D) bilayer garnet solid electrolyte framework towards advanced Li-metal batteries. Reducing the thickness of the dense layer down to a few microns while retaining good mechanical stability enables the safe use of Li metal anodes. The thick porous layer acts as a mechanical support for the thin dense layer which functions both as a host for the highly loaded cathode material and as a pathway for continuous ion migration. The results show that while the integrated sulfur cathode loading exceeds 7 mg/cm 2 , the proposed hybrid Li—S battery exhibits high initial coulombic efficiency (>99.8%) and high average coulombic efficiency (99.8%) in subsequent cycles. %). This electrolyte framework is expected to improve Li-metal batteries by transitioning to all-solid-state batteries, and is also extendable to other cathode materials.

ハイブリッド電池において、化学的および物理的短絡は、溶解したカソード材料を物理
的に阻止するとともにLiデンドライトの貫通を抑える高密度固体電解質によって防止可
能である。活物質の体積変化は、多孔質固体電解質の互換ホスト構造を設計することによ
って対応可能である。この目標を実現するため、本発明者らは、高密度・多孔質二層構造
を有する3D固体電解質フレームワークを示す。3D二層固体電解質フレームワークには
、(a)薄い高密度最下層が高弾性率の剛性障壁であり、電極と液体電解質とを効率的に
分離可能であるとともに、Liデンドライトの貫通を防止可能である、(b)厚い最上多
孔質層が薄い高密度層を機械的に支持する、(c)高密度層と多孔質層との間の界面が良
好な機械的完全性および連続的なイオン移動を伴って十分に焼結される、(d)固体フレ
ームワークが封入されたカソード材料に対して電子およびイオン伝導性の経路を提供し得
る、(e)固体フレームワークがカソード材料を局所的に閉じ込めて、固体硫黄および多
硫化物カソード液等による体積変化に対応し得る、といった複数の独自の利点がある。本
発明者らによる結果が示すこととして、統合硫黄カソード担持が7mg/cmを超える
一方、提案のハイブリッドLi-S電池は、後続サイクルごとに、高い初期クーロン効率
(99.8%超)および高い平均クーロン効率(99%超)を示す。この電解質フレーム
ワークは、高電圧(LNMO)および空気/Oカソード等、全固体電池への移行によっ
てLi金属電池を改善することが予想され、また、他のカソード材料にも拡張可能である
In hybrid batteries, chemical and physical short circuits can be prevented by a dense solid electrolyte that physically blocks the dissolved cathode material and reduces the penetration of Li dendrites. Volume changes in the active material can be accommodated by designing compatible host structures for the porous solid electrolyte. To achieve this goal, we present a 3D solid electrolyte framework with a dense and porous bilayer structure. The 3D bilayer solid electrolyte framework includes: (a) a thin dense bottom layer is a rigid barrier with high modulus, which can effectively separate the electrode and the liquid electrolyte and prevent the penetration of Li dendrites; (b) the thick top porous layer mechanically supports the thin dense layer; (c) the interface between the dense layer and the porous layer has good mechanical integrity and ion continuity. (d) the solid framework may provide electronic and ionic conductive pathways to the encapsulated cathode material; (e) the solid framework may localize the cathode material It has several unique advantages, such as being able to confine it to accommodate volume changes such as those caused by solid sulfur and polysulfide catholytes. Our results show that while the integrated sulfur cathode loading exceeds 7 mg/cm 2 , the proposed hybrid Li—S battery exhibits high initial coulombic efficiency (>99.8%) and It exhibits high average coulombic efficiency (>99%). This electrolyte framework is expected to improve Li-metal batteries by transitioning to all-solid-state batteries, such as high voltage (LNMO) and air/ O2 cathodes, and is also extendable to other cathode materials.

ガーネット二層フレームワークの作製
高密度多孔質テープを二層テープとして積層した後、共焼結によって有機バインダおよ
びポリマーを除去することにより、二層フレームワークを作製した。孔隙率70%の犠牲
細孔形成体としてガーネット粉末スラリー含有ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA
)球を用いたスケーラブルなテープキャストによって、多孔質ガーネット構造を作製した
。作製プロセスの別途詳細については、実験項に示す。空気および水分の影響を受けやす
い硫化物型の超イオン伝導体と異なり、ガーネットは、乾燥空気中での処理に対して化学
的に安定しており、取り扱いのための十分な機械的強度を有する。このため、低コストの
ガーネット固体電解質フレームワークの作製に対して、テープキャスト法を容易にスケー
リング可能である。焼結時には、有機フィラーが分解され、ガーネット粉末との一体的な
焼結によって、多孔質層が形成された。多孔質層および高密度層の厚さは、テープ厚によ
り制御される。
Preparation of Garnet Bilayer Framework A bilayer framework was prepared by laminating the dense porous tape as a bilayer tape and then removing the organic binder and polymer by co-sintering. Garnet powder slurry containing poly(methyl methacrylate) (PMMA) as a sacrificial pore former with 70% porosity
) A porous garnet structure was fabricated by scalable tape casting with spheres. Further details of the fabrication process are given in the experimental section. Unlike sulfide-type superionic conductors, which are sensitive to air and moisture, garnets are chemically stable to processing in dry air and have sufficient mechanical strength for handling. . This allows the tape casting method to be easily scaled for fabrication of low cost garnet solid electrolyte frameworks. During sintering, the organic filler was decomposed and integrally sintered with the garnet powder to form a porous layer. The thickness of the porous layer and the dense layer are controlled by the tape thickness.

ガーネット二層フレームワークの特性評価
観察し得る剥離なく十分に焼結された多孔質高密度層の界面は、当該界面において良好
な接触を示す。この界面は、多孔質から高密度固体電解質への良好なイオン移動を可能に
し得る。ガーネット結晶粒の大きな高密度ガーネット層は、活性電極間の化学的および物
理的短絡を阻止することができる。二層ガーネットの断面は、35μmの高密度層および
70μmの多孔質支持部を含む105μmの合計厚を有する。
Characterization of Garnet Bilayer Framework The interfaces of well-sintered porous dense layers without observable delamination show good contact at the interfaces. This interface can allow good ion transfer from the porous to the dense solid electrolyte. A dense garnet layer with large garnet grains can prevent chemical and physical short circuits between active electrodes. The bilayer garnet cross-section has a total thickness of 105 μm, including a dense layer of 35 μm and a porous support of 70 μm.

X線回折(XRD)によって、焼結LiLa2.75Ca0.25Zr1.75Nb
0.2512(LLCZNO)ガーネットの標準的な立方相を確認したところ、立方L
LaNb12(PDF80-0457)と十分に整合する。また、ラマンスペ
クトルの広範かつ部分的に重畳した帯域によって、LLCZNOガーネットの立方相が確
認される。Au/ガーネット/Au対称阻止セルにおける電気化学的インピーダンス分光
法(EIS)によって、高密度ガーネットペレットのイオン伝導度を測定した。25℃~
50℃の温度範囲でEISを実施した。Au電極の容量性挙動に対応する低周波の切片を
用いて、バルクおよび粒界の寄与を含む合計抵抗を計算した。σ=L/(Z×A)を用い
てイオン伝導度を計算した(ただし、Zはナイキストプロット中の実軸のインピーダンス
、Lはガーネットセラミックディスク長、Aは表面積である)。これは、22℃で2.2
×10-4S/cmに対応する。温度の逆数に対するガーネット電解質の対数イオン伝導
度をプロットした。アレニウスの式を用いることにより、温度の関数として、伝導度から
0.35eVの活性化エネルギーを計算した。
By X-ray diffraction ( XRD), the sintered Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb
Confirming the standard cubic phase of 0.25 O 12 (LLCZNO) garnet, cubic L
It matches well with i 5 La 3 Nb 2 O 12 (PDF80-0457). The broad and partially overlapping bands of the Raman spectrum also confirm the cubic phase of the LLCZNO garnet. The ionic conductivity of dense garnet pellets was measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in an Au/garnet/Au symmetrically blocked cell. 25℃~
EIS was performed in a temperature range of 50°C. A low frequency intercept corresponding to the capacitive behavior of the Au electrode was used to calculate the total resistance including bulk and grain boundary contributions. Ionic conductivity was calculated using σ=L/(Z×A), where Z is the impedance of the real axis in the Nyquist plot, L is the garnet ceramic disk length, and A is the surface area. This is 2.2 at 22°C.
It corresponds to ×10 −4 S/cm. The logarithmic ionic conductivity of the garnet electrolyte was plotted against the reciprocal temperature. The activation energy of 0.35 eV was calculated from the conductivity as a function of temperature by using the Arrhenius equation.

ガーネット固体電解質/Li金属の電気化学的特性評価
ガーネットと電極との界面の構造および化学的性質が固体電解質を適用する場合の主要
な課題原因である。近年の研究は、界面での不十分な接触が固体電解質および電極の高い
界面インピーダンスにつながる主要因であることを示している。たとえば、薄い(約5n
m)原子層堆積(ALD)界面層によって、Li金属/ガーネットの界面抵抗は大幅に低
下し得る。報告された真空ベースのプロセスと比較して、電池製造に向けては、固体電解
質と電極との間の人工的な中間層としてのゲル電解質がよりスケーラブルとなり得る。こ
の場合、ぬれ性が良好なゲル電解質は、界面において一様に分布したLiイオン束を与え
るのみならず、Li金属との接触後の固体電解質の潜在的な減少を防止し得る。個々の細
孔がガーネット表面に分布し、この空洞によってLi金属との接触の表面積が小さくなる
ため、Liイオン移動が不均一になり、界面抵抗が高くなる。ガーネット表面をコンフォ
ーマルに被覆するように、ポリマーゲル層を実装した。液体充填中間層は、ガーネットと
リチウム金属との間の密接触を保証する。厚さ2μmのポリエチレンオキシド(PEO)
ポリマーがガーネットをコンフォーマルに被覆する。このポリマー層は、界面の起伏を補
償するとともに、界面を通る均一なLiイオン束を可能にする。
Garnet Solid Electrolyte/Li Metal Electrochemical Characterization The structure and chemistry of the garnet-electrode interface is a major source of challenges in the application of solid electrolytes. Recent studies have shown that poor contact at the interface is a major factor leading to high interfacial impedance of solid electrolytes and electrodes. For example, a thin (about 5n
m) Atomic layer deposition (ALD) interfacial layers can significantly reduce the interface resistance of Li metal/garnet. Compared to reported vacuum-based processes, gel electrolytes as artificial intermediate layers between solid electrolytes and electrodes can be more scalable for battery fabrication. In this case, a gel electrolyte with good wettability can not only provide a uniformly distributed Li ion flux at the interface, but also prevent potential depletion of the solid electrolyte after contact with Li metal. Individual pores are distributed on the garnet surface and the cavities reduce the surface area of contact with the Li metal, resulting in non-uniform Li ion migration and high interfacial resistance. A polymer gel layer was implemented to conformally cover the garnet surface. The liquid-filled intermediate layer ensures intimate contact between garnet and lithium metal. 2 μm thick polyethylene oxide (PEO)
The polymer conformally coats the garnet. This polymer layer compensates for interfacial undulations and allows uniform Li-ion flux through the interface.

定電流の印加による対称ハイブリッドセル(Li/ポリマー/ガーネット/ポリマー/
Li)中のLi金属の定電流プレーティングおよびストリッピングによって、界面の安定
性を評価した。0.3mA/cmの電流密度下でのLi/ハイブリッド電解質/Liセ
ルの時間に応じた電圧プロファイルを決定した。正の電圧がLiストリッピングを示し、
負の電圧がLiプレーティングである。セルは、サイクルごとに0.5時間動作させた。
セルは、最初は±0.3Vの電圧を示したが、10時間のサイクル後は、電圧が±0.2
Vまで徐々に低下した。160時間を超えてハイブリッドセルをサイクルさせたが、スト
リッピング/プレーティング電圧は比較的安定したままであった。比較として、ポリマー
界面のないLi/ガーネット/Li対称セルも作製してテストした。差し込み図は、2種
類のセルの初期サイクルおよびハイブリッドセルの140時間目のサイクルを示している
。Li/ガーネット/Liセルの場合は、高いインピーダンスおよび大きな分極が観察さ
れ、滑らかではない電圧プラトーがLiとガーネットとの間の大きな界面抵抗を示唆して
いる。これに対して、ハイブリッドセルは、滑らかな電圧曲線を示す。電圧プロファイル
の周期的な変動は、固体ハイブリッド電解質性能の温度依存性を示している。0.5およ
び1.0mA/cmの負荷下でのLi/ハイブリッド電解質/Liセルの電圧プロファ
イルは、ハイブリッド電解質の高印加電流能力を実証している。
Symmetric hybrid cell (Li/polymer/garnet/polymer/
The interfacial stability was evaluated by galvanostatic plating and stripping of Li metal in Li). Voltage profiles as a function of time for Li/hybrid electrolyte/Li cells under a current density of 0.3 mA/cm 2 were determined. A positive voltage indicates Li stripping,
Negative voltage is Li plating. The cell was operated for 0.5 hours per cycle.
The cell initially showed a voltage of ±0.3V, but after the 10 hour cycle the voltage decreased to ±0.2V.
gradually decreased to V. The stripping/plating voltage remained relatively stable as the hybrid cells were cycled for over 160 hours. As a comparison, a Li/garnet/Li symmetrical cell without polymer interfaces was also fabricated and tested. The inset shows the initial cycle for the two types of cells and the 140th hour cycle for the hybrid cell. For the Li/garnet/Li cell, high impedance and large polarization are observed, with a non-smooth voltage plateau suggesting a large interfacial resistance between Li and garnet. In contrast, hybrid cells exhibit a smooth voltage curve. The periodic variation of the voltage profile indicates the temperature dependence of the solid hybrid electrolyte performance. Voltage profiles of Li/hybrid electrolyte/Li cells under loads of 0.5 and 1.0 mA/cm 2 demonstrate the high applied current capability of the hybrid electrolyte.

二層ガーネットフレームワークを備えた概念実証Li-S電池
二層固体ガーネットハイブリッド電解質を用いたLi-S電池の電気化学的性能を決定
した。CNTを多孔質ガーネットの微細構造に浸潤させて、改良された電子伝導性ネット
ワークを構成した。CNT浸潤二層ガーネットフレームワークの写真およびSEM画像は
、多孔質構造の内側がCNT被覆されていることを示す。硫黄およびその可溶多硫化物の
体積膨張は、固体ガーネットフレームワークにより対応可能である。160℃で硫黄粉末
を多孔質マトリクスに溶融させることによって、硫黄を直接担持させた。Li-Sカソー
ドの断面および元素マッピングを実行した。元素マッピング画像は、二層ガーネットの細
孔中の硫黄分布を明らかに示す。硫黄とガーネットとの間の付加的な細孔によって、液体
電解質が内部チャネルへと入り込み、硫黄を被覆する。
Proof-of-Concept Li—S Battery with Bilayer Garnet Framework The electrochemical performance of a Li—S battery with a bilayer solid garnet hybrid electrolyte was determined. CNTs were infiltrated into the porous garnet microstructure to form an improved electronically conducting network. Photographs and SEM images of the CNT-infiltrated bilayer garnet framework show that the inside of the porous structure is CNT-coated. Volumetric expansion of sulfur and its soluble polysulfides can be accommodated by a solid garnet framework. Sulfur was loaded directly by melting the sulfur powder into the porous matrix at 160°C. Cross-sectional and elemental mapping of the Li—S cathode was performed. Elemental mapping images clearly show the sulfur distribution in the pores of the bilayer garnet. Additional pores between the sulfur and the garnet allow the liquid electrolyte to enter the internal channels and coat the sulfur.

硫黄の質量担持が約7.5mg/cmと高いハイブリッド二層セルを作製した。電流
密度0.2mA/cmにおいて、ハイブリッドLi-Sセルの充放電電圧プロファイル
を構成した。最初のサイクルの放電容量は645mAh/g前後であり、クーロン効率は
99.8%であるが、これは例外的に高い値である。長く平坦な電圧プラトーは、充放電
曲線間の相容れない分極を示している。これは、表面積が大きくて硫黄との反応部位数が
増え、電圧分極の低下および良好な容量を可能にする薄い高密度層および多孔質ガーネッ
ト層が寄与し得る。サイクル性能をプロットした。最初の数サイクルに急激な容量の伸び
は発生しておらず、このように硫黄の質量担持が高いハイブリッドセルでは、多硫化物が
失われないことを示している。後続サイクルにおいては、クーロン効率が99%超を維持
しており、ハイブリッド設計においてシャトル効果が発生していないことが確認される。
さらに、質量担持が7.5mg/cmのハイブリッド二層Li-Sセルは、今日利用可
能な如何なる固体電池もはるかに超えて、カソード、Liアノード、および電解質の合計
質量を考慮したセル全体のエネルギー密度(図16において計算)が248.2Wh/k
gである。サイクル性能がわずかに低下しているが、これは、充電生成物LiSおよび
Liが後続サイクルで再活性化されないことによると考えられる。硫黄の高い質量
担持によって、バルク硫黄カソードの内側でのさらなる反応が妨げられる。
A hybrid bilayer cell with a sulfur mass loading as high as about 7.5 mg/cm 2 was fabricated. Charge-discharge voltage profiles of hybrid Li—S cells were constructed at a current density of 0.2 mA/cm 2 . The first cycle discharge capacity is around 645 mAh/g and the coulombic efficiency is 99.8%, which is an exceptionally high value. A long, flat voltage plateau indicates an irreconcilable polarization between the charge-discharge curves. This can be attributed to the thin dense and porous garnet layers that have high surface area and increased number of reaction sites with sulfur, allowing for reduced voltage polarization and better capacity. Cycle performance was plotted. No sharp capacity growth occurred in the first few cycles, indicating that polysulfides are not lost in hybrid cells with such high mass loading of sulfur. In subsequent cycles, coulombic efficiency remains above 99%, confirming that no shuttle effect occurs in the hybrid design.
Moreover, the hybrid bilayer Li—S cell with a mass loading of 7.5 mg/cm 2 far exceeds any solid-state battery available today, with a total cell Energy density (calculated in FIG. 16) is 248.2 Wh/k
is g. There is a slight decrease in cycling performance, which is believed to be due to the charging products Li 2 S and Li 2 S 2 not being reactivated in subsequent cycles. High mass loading of sulfur prevents further reactions inside the bulk sulfur cathode.

本研究は、ハイブリッド電池において二層固体電解質フレームワークを使用することの
実現可能性を初めて実証している。これをさらに発展させて、炭素-硫黄複合材をハイブ
リッドセルに組み込むことによる活性硫黄の量および担持量の増大に焦点が当てられるこ
とになる。たとえば、高密度層を薄くするとともに厚い多孔質層中の活物質を増やすこと
によって二層フレームワークがさらに最適化された場合は、900Wh/kgを超えるエ
ネルギー密度が推定される(図17)。
This study demonstrates for the first time the feasibility of using a bilayer solid electrolyte framework in a hybrid battery. Developing this further, the focus will be on increasing the amount and loading of active sulfur by incorporating carbon-sulfur composites into hybrid cells. For example, if the bilayer framework is further optimized by thinning the dense layer and increasing the active material in the thick porous layer, an energy density of over 900 Wh/kg is estimated (FIG. 17).

本例は、Li金属電池における化学的および物理的短絡の両問題に対処する3D二層固
体電解質フレームワークを説明する。固体電解質のインピーダンスを最小限に抑えるため
、バッテリ組み立てのための適切な機械的強度を維持しつつ、高密度ガーネット膜の厚さ
を数ミクロンまで小さくした。電極材料および液体電解質をホストしつつ、薄い高密度層
を機械的に支持する厚い多孔質層を用いて、二層固体電解質フレームワークを設計した。
厚い多孔質層は、硫黄カソードをホストする連続したLi/電子経路を有する。また、
薄い高密度層は、多硫化物の拡散を阻止するとともに、Liデンドライトの形成を妨げる
。二層ガーネット固体電解質フレームワークをLi-S電池に適用して、その実現可能性
のほか、高エネルギー密度および優れた性能を実証した。実証したハイブリッドLi-S
電池は、7mg/cmを超える高い硫黄担持、後続サイクルの高い初期クーロン効率(
99.8%超)および高い平均クーロン効率(99%超)を示す。この電解質フレームワ
ークは、Li金属電池を改善することが予想され、このフレームワークに支えられた電池
設計は、高電圧(LNMO)および空気/Oカソード等、商業的に実現可能で本質的に
安全なLi金属電池用の他のカソード材料にも拡張可能である。
This example describes a 3D bilayer solid electrolyte framework that addresses both chemical and physical shorting problems in Li metal batteries. To minimize the impedance of the solid electrolyte, we reduced the thickness of the dense garnet film to a few microns while maintaining adequate mechanical strength for battery assembly. A bilayer solid electrolyte framework was designed using a thick porous layer to mechanically support a thin dense layer while hosting the electrode materials and liquid electrolyte.
The thick porous layer has continuous Li + /electron paths that host the sulfur cathode. again,
A thin dense layer prevents the diffusion of polysulfides and the formation of Li dendrites. A bilayer garnet solid electrolyte framework was applied to Li—S batteries to demonstrate its feasibility, as well as high energy density and excellent performance. Demonstrated hybrid Li-S
The cell has a high sulfur loading of over 7 mg/cm 2 , a high initial coulombic efficiency for subsequent cycles (
99.8%) and high average coulombic efficiency (>99%). This electrolyte framework is expected to improve Li metal batteries, and battery designs supported by this framework are commercially viable and essentially It is extensible to other cathode materials for safe Li metal batteries.

方法
ガーネット固体電解質の作製
改良ゾルゲル法によってLLCZN粉末を合成した。出発原料は、LiNO(99%
、Alfa Aesar製)、La(NO(99.9%、Alfa Aesar製
)、Ca(NO(99.9%、Sigma Aldrich製)、ZrO(NO
(99.9%、Alfa Aesar製)、およびNbCl(99.99%、Al
fa Aesar製)とした。これらの化学物質の化学量論量を脱イオン水に溶かし、1
0%の過剰LiNOを添加して、高温ペレット作製時のリチウム揮発を補償した。クエ
ン酸およびエチレングリコール(1:1モル比)を溶液に添加した。溶液を120℃で1
2時間にわたり蒸発させて前駆体ゲルを生成した後、400℃および800℃に5時間焼
成して、ガーネット粉末を合成した。そして、ガーネット粉末を一軸押圧してペレットに
した後、伝導性および安定性の実験のために同種の粉末で覆って1050℃で12時間に
わたり焼結した。
Methods Preparation of Garnet Solid Electrolytes LLCZN powders were synthesized by a modified sol-gel method. The starting material is LiNO 3 (99%
, Alfa Aesar), La( NO3 ) 3 (99.9%, Alfa Aesar), Ca( NO3 ) 2 (99.9%, Sigma Aldrich), ZrO ( NO3
) 2 (99.9%, from Alfa Aesar), and NbCl 5 (99.99%, Al
fa Aesar). Dissolve stoichiometric amounts of these chemicals in deionized water and
0% excess LiNO 3 was added to compensate for lithium volatilization during hot pellet making. Citric acid and ethylene glycol (1:1 molar ratio) were added to the solution. the solution at 120°C for 1
After evaporating for 2 hours to form a precursor gel, it was calcined at 400° C. and 800° C. for 5 hours to synthesize garnet powder. The garnet powder was then uniaxially pressed into pellets and then covered with the same powder and sintered at 1050° C. for 12 hours for conductivity and stability experiments.

テープキャストによって二層フレームワークを作製し、高密度層および多孔質層をそれ
ぞれ作製した後、二層テープとして積層した。個々の各層の厚さは、十分に制御した。所
望の相で十分に焼成したLLZCNを用いて、スラリーを作製した。分散剤として魚油を
含むLLZCN粉末をトルエン、イソプロパノール(IPA)に添加した。24時間のミ
リングの後、ポリビニルブチラール(PVB)およびフタル酸ブチルベンジル(BBP)
をバインダおよび可塑剤として添加した後、さらに24時間にわたってボールミリングを
行った。気泡を取り除くため、真空チャンバでの2時間の撹拌によってスラリーを脱気し
た。脱気プロセスの直後、スラリーが薄膜としてマイラーシート上に引き出されるスロッ
トを有する吊り下げ式チャンバにスラリーを注ぎ込んだ。その後、得られたテープを12
0℃で1時間乾燥させた。多孔質テープを作製するため、脱気の1時間前に、十分に混ぜ
たスラリーに対して、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)球を混ぜ込んだ。多孔
質層の細孔サイズは、ポリマーベースの細孔形成体のサイズおよびその含有量によって制
御可能である。テープを積層し、80℃で2時間にわたって加熱プレスすることにより、
多孔質層および高密度層がそれぞれの界面で溶融し、それぞれの界面で良好な接続を構成
できるようにした。サンプルを700℃で4時間にわたって予備焼結することにより有機
成分を除去した後、1100℃で焼結して最終段階の焼結を行った。焼結プロセスの十分
な制御によって、焼結中にサンプルが平坦に保たれるようにしたが、これは、Li/S浸
潤およびLi-S電気化学的性能テストに重要である。
A two-layer framework was prepared by tape casting to prepare the dense and porous layers respectively and then laminated as a two-layer tape. The thickness of each individual layer was well controlled. A slurry was made using LLZCN that had been fully calcined in the desired phase. LLZCN powder with fish oil as dispersant was added to toluene, isopropanol (IPA). Polyvinyl butyral (PVB) and butyl benzyl phthalate (BBP) after 24 hours of milling
was added as a binder and plasticizer, followed by ball milling for an additional 24 hours. The slurry was degassed by stirring in a vacuum chamber for 2 hours to remove air bubbles. Immediately after the degassing process, the slurry was poured into a suspended chamber with slots through which it was drawn as a thin film onto a Mylar sheet. After that, the resulting tape is 12
It was dried at 0° C. for 1 hour. To make the porous tape, poly(methyl methacrylate) (PMMA) spheres were mixed into the well-mixed slurry 1 hour prior to degassing. The pore size of the porous layer can be controlled by the size and content of the polymer-based pore former. By laminating the tapes and hot pressing at 80° C. for 2 hours,
The porous layer and the dense layer fused at their respective interfaces, allowing them to form good connections at their respective interfaces. The sample was pre-sintered at 700°C for 4 hours to remove organic components and then sintered at 1100°C for final sintering. Good control of the sintering process ensured that the samples remained flat during sintering, which is important for Li/S infiltration and Li—S electrochemical performance tests.

材料の特性評価
40kVおよび40mAで動作するCuKα放射源を用いて、D8 Advanced
with LynxEye and SolX(Bruker AXS、WI、USA
)上で粉末X線回折(XRD)により、相解析を実行した。電界放射型走査電子顕微鏡(
FE-SEM、JEOL 2100F)によって、サンプルの形態を調べた。
Material Characterization D8 Advanced using a CuKα radiation source operating at 40 kV and 40 mA
with LynxEye and SolX (Bruker AXS, WI, USA
) was performed by powder X-ray diffraction (XRD). field emission scanning electron microscope (
The morphology of the samples was examined by FE-SEM, JEOL 2100F).

電気化学的特性評価
アルゴン充填グローブボックスにおいてLi|固体電解質|Li対称セルを作製し、組
み立てた。ガーネット固体電解質のイオン伝導度を測定するため、高密度セラミックディ
スクの両側をAuペーストで被覆し、阻止電極として作用させた。金電極を700℃で焼
結して、セラミックペレットとの良好な接触を形成した。そして、高導電性炭素スポンジ
を備えた2032コインセルとしてセルを組み立てた。炭素スポンジは、緩衝体として作
用し、ガーネットセラミックディスクの損傷を防止した。電池テストクリップを用いて、
コインセルとの良好な接触を保持・提供した。セルの縁部は、エポキシ樹脂で封止した。
50mVの摂動振幅で1MHz~100mHzの周波数範囲のEISを実行した。σ=L
/(Z×A)を用いて伝導度を計算した(ただし、Zはナイキストプロット中の実軸のイ
ンピーダンス、Lはガーネットセラミックディスク長、Aは表面積である)。アレニウス
の式を用いることにより、温度の関数として、伝導度から活性化エネルギーを求めた。
Electrochemical Characterization A Li|solid electrolyte|Li symmetric cell was fabricated and assembled in an argon-filled glove box. To measure the ionic conductivity of the garnet solid electrolyte, a high-density ceramic disc was coated on both sides with Au paste to act as a blocking electrode. Gold electrodes were sintered at 700° C. to form good contact with the ceramic pellet. The cell was then assembled as a 2032 coin cell with a highly conductive carbon sponge. The carbon sponge acted as a buffer and prevented damage to the garnet ceramic disc. Using the battery test clip,
It held and provided good contact with the coin cell. The edges of the cell were sealed with epoxy resin.
EIS was performed in the frequency range from 1 MHz to 100 mHz with a perturbation amplitude of 50 mV. σ=L
Conductivity was calculated using /(ZxA), where Z is the impedance of the real axis in the Nyquist plot, L is the garnet ceramic disc length, and A is the surface area. Activation energy was determined from conductivity as a function of temperature by using the Arrhenius equation.

ガーネット固体ベースLi-S電池の作製と特性評価
セルはすべて、アルゴン充填グローブボックスにおいて組み立てた。固体ハイブリッド
セルを2032コインセルとして組み立てた。固体ハイブリッドLi-S電池の電解質と
して、ジメトキシエタン(DME)および1,3-ジオキソラン(DOL)(体積比1:
1)の混合物中の1M ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミドリチウム塩(LiT
FSI、Sigma製)を使用した。1~3.5Vのカットオフ電圧窓を用いて、定電流
充放電テストを測定した。二層カソードの作製においては、ジメチルホルムアミド(DM
F)中の10wt%カーボンナノチューブ(CNT)インクを作製し、数滴のCNTイン
クを二層ガーネットフレームワークの多孔質層に添加して、100℃の真空中で12時間
乾燥させた後、多孔質ガーネット上に元素硫黄粉末を一様に分布させ、160℃で加熱し
て硫黄を溶融させた。二層ガーネットフレームワークは、約17mgであったが、これは
約20mg/cmに対応する。二層ガーネットフレームワークに浸潤した実際の硫黄は
、約2.5mgであったが、これは約7.5mg/cmの質量担持に対応する。完成セ
ルは、Ar充填グローブボックスにおいて組み立てた。液体電解質を添加して硫黄カソー
ドを洗浄した。同量の液体電解質を使用した。油圧プレスにおいてLi粒(Sigma製
)を薄化することによりLiアノードを作製した。セルを2032コインセルとしてパッ
ケージングし、エポキシ樹脂を用いて封止することにより縁部での空気漏れを防止した。
比エネルギー密度の計算(テストしたガーネット二層Li-S電池の比エネルギー密度の
計算)を図16に示す。
Preparation and Characterization of Garnet Solid-Based Li—S Batteries All cells were assembled in an argon-filled glovebox. A solid state hybrid cell was assembled as a 2032 coin cell. Dimethoxyethane (DME) and 1,3-dioxolane (DOL) (volume ratio 1:
1) 1M bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt (LiT
FSI, manufactured by Sigma) was used. Galvanostatic charge-discharge tests were measured using a cut-off voltage window of 1-3.5V. Dimethylformamide (DM
F) 10wt% carbon nanotube (CNT) ink was prepared, adding a few drops of CNT ink to the porous layer of the double-layer garnet framework and dried in vacuum at 100°C for 12 hours, then the porous Elemental sulfur powder was evenly distributed on the garnet and heated at 160° C. to melt the sulfur. The bilayer garnet framework was about 17 mg, which corresponds to about 20 mg/cm 2 . The actual sulfur infiltrated into the bilayer garnet framework was about 2.5 mg, which corresponds to a mass loading of about 7.5 mg/cm 2 . Completed cells were assembled in an Ar-filled glovebox. Liquid electrolyte was added to wash the sulfur cathode. The same amount of liquid electrolyte was used. The Li anode was made by thinning Li grains (from Sigma) in a hydraulic press. The cells were packaged as 2032 coin cells and sealed with epoxy to prevent air leaks at the edges.
Calculation of specific energy density (calculation of specific energy density of tested garnet bilayer Li—S battery) is shown in FIG.

Li金属およびSカソードの厚さおよび質量担持のさらなる最適化によって、900W
h/kgを超えるセルエネルギー密度を実現可能である。
With further optimization of Li metal and S cathode thickness and mass loading, 900 W
Cell energy densities in excess of h/kg are achievable.

図17は、パラメータを最適化した二層ガーネット固体Li-S電池の推定エネルギー
密度を示している。
FIG. 17 shows the estimated energy density of the parameter-optimized bilayer garnet solid-state Li—S battery.

本例は、本開示の固体ハイブリッド電解質の説明を与える。また、本例は、このような
電解質の構成および特性評価の例を与える。
This example provides a description of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. This example also provides an example of the construction and characterization of such electrolytes.

自然に着想した整列ガーネットナノ構造
固体電解質(SSE)を備えた固体Li電池(SSLiB)は、Liデンドライトの貫
通を潜在的に阻止して、金属リチウムアノードの適用による安全性の向上した高エネルギ
ー密度を実現可能である。Liイオン電池中のイオン移動の挙動およびイオン伝導性は、
電極および電解質材料のねじれの影響を大きく受ける。イオン経路が真っ直ぐの低ねじれ
構造が非常に望ましいものの、固体イオン伝導体において実現するのはかなり困難である
。本発明者らは、スケーラブルなトップダウン手法によって、マルチスケール整列メソ構
造を有する高伝導性ガーネットフレームワークを開発した。イオン伝導性ポリエチレンオ
キシド(PEO)をメソ多孔質の木材テンプレーティング整列ガーネットナノ構造に組み
入れて、ガーネット木材と称する混合ハイブリッドイオン伝導体を得た。柔軟で機械的に
堅牢なポリマーとの整列ガーネットの相乗的な統合によって、高イオン伝導性(室温で1
.8×10-4S/cm)および良好な機械的可撓性の両者を得た。本研究は、自然に着
想した低ねじれの高速イオン伝導体の開発の新たな方向を与える。
Naturally Inspired Aligned Garnet Nanostructures Solid State Li Batteries (SSLiB) with Solid Electrolyte (SSE) Potentially Block Li Dendrite Penetration to High Energy Density with Improved Safety from the Application of Metallic Lithium Anodes is feasible. The ion migration behavior and ionic conductivity in Li-ion batteries are
It is greatly affected by torsion of electrode and electrolyte materials. Low tortuosity structures with straight ionic paths are highly desirable, but rather difficult to achieve in solid ionic conductors. We have developed a highly conductive garnet framework with multi-scale ordered mesostructures by a scalable top-down approach. Ion-conducting polyethylene oxide (PEO) was incorporated into mesoporous wood-templating aligned garnet nanostructures to yield a mixed hybrid ionic conductor termed garnet wood. Synergistic integration of aligned garnet with flexible and mechanically robust polymers leads to high ionic conductivity (1
. 8×10 −4 S/cm) and good mechanical flexibility were both obtained. This work provides a new direction for the development of naturally-inspired low-torsion fast ionic conductors.

天然の木材の整列構造に着想を得て、テンプレーティング合成により十分に整列したメ
ソ構造を有する高イオン伝導性ガーネットネットワークを開示する。犠牲テンプレートと
して木材を採用することにより、ガーネットメソ構造のマルチスケール整列多孔質、低ね
じれ、および高い比表面積を得た。イオン伝導性が高く、Liアノードとの化学的安定性
が良好で、電気化学的窓が広いことから、低ねじれの整列固体電解質を作製するモデル系
として、ガーネット型LLZOを選択した。木材によりテンプレーティングした整列ガー
ネット(ガーネット木材と称する)にPEOポリマー電解質を組み入れることにより、複
合材電解質を開発した。ポリマー電解質は、付加的な移動経路を提供するとともに、複合
材構造の機械的強度を補う。Liイオンは、ガーネット、ポリマーを通り、ガーネット-
ポリマー界面に沿って効果的に移動可能である。結果として、ガーネット木材膜は、室温
で1.8×10-4S/cmという傑出したイオン伝導性をもたらす。この概念に基づい
て、整列ガーネット木材電解質の設計原理および作製プロセスを多種の固体電解質にも拡
張可能である。
Inspired by the ordered structure of natural wood, a highly ionically conductive garnet network with a well-ordered mesostructure is disclosed by templated synthesis. By employing wood as a sacrificial template, we obtained multi-scale ordered porosity, low tortuosity and high specific surface area of garnet mesostructure. Garnet-type LLZO was chosen as a model system for making low-torsion ordered solid electrolytes because of its high ionic conductivity, good chemical stability with the Li anode, and wide electrochemical window. A composite electrolyte was developed by incorporating a PEO polymer electrolyte into aligned garnet templated by wood (referred to as garnet wood). The polymer electrolyte provides additional migration paths and supplements the mechanical strength of the composite structure. Li ions pass through garnet, polymer, and garnet-
It can effectively migrate along the polymer interface. As a result, garnet wood membranes provide an outstanding ionic conductivity of 1.8×10 −4 S/cm at room temperature. Based on this concept, the design principles and fabrication process of aligned garnet wood electrolytes can be extended to a variety of solid electrolytes.

成長速度が高く、低コストで、孔隙率が高いことから、整列ガーネット固体電解質フレ
ームワークを開発するテンプレートとしてアメリカボダイ樹を選定した。化学的処理によ
って天然のアメリカボダイ樹からリグニンを部分的に除去した後、木材の長手方向(自然
成長方向)と垂直に圧縮してスライスすることにより、木材テンプレートを得た(図19
a)。機械的プレスによって、木材を高密度にした。高密度化時の隣接セルロースファイ
バ間に形成された付加的な水素結合によって、フレームワークの高密度構造が維持される
。複数の試料の走査電子顕微鏡法(SEM)測定によって、機械的圧縮による形態変化を
調べた。圧縮前、木材中のマイクロチャネルは、平均直径が10~50μmの近位円筒形
状を有する(図19bおよび図19d)。圧縮後、過去に観察したマイクロチャネルのほ
とんどは、押しつぶされて亀裂状の間隙となっており、また、隣接チャネルの一部がつな
がっていた(図19cおよび図19e)。これらの開放チャネルは、圧縮によって激しく
変形していたが、それぞれの高整列マルチスケール細孔構造は不変であり(図19f)、
前駆体溶液に浸漬した場合に優れた吸収性を示した。たとえば、48時間にわたって浸し
、70℃の真空で4時間にわたって乾燥させた後、木材テンプレートの質量は、2.7m
gから3.45mgへと27.8%増えていた(図25)。前駆体溶液の高い吸収性、テ
ンプレート細孔の柔軟性、および手順のスケーラビリティは、整列メソ構造でSSEを作
製する費用効果の高い生産的な方法を示す。
Because of its high growth rate, low cost, and high porosity, the American body tree was selected as a template for developing an ordered garnet solid electrolyte framework. A wood template was obtained by partially removing the lignin from the natural Polygonum tree by chemical treatment and then slicing it by compressing it perpendicular to the longitudinal direction (natural growth direction) of the wood (Fig. 19).
a). The wood was densified by mechanical pressing. The dense structure of the framework is maintained by the additional hydrogen bonds formed between adjacent cellulose fibers during densification. Morphological changes due to mechanical compression were investigated by scanning electron microscopy (SEM) measurements of multiple samples. Before compression, the microchannels in wood have a proximal cylindrical shape with an average diameter of 10-50 μm (FIGS. 19b and 19d). After compression, most of the previously observed microchannels were crushed into fissure-like gaps and some of the adjacent channels were connected (Figs. 19c and 19e). Although these open channels were severely deformed by compression, their respective highly ordered multiscale pore structures were unchanged (Fig. 19f),
It showed excellent absorbency when immersed in the precursor solution. For example, after soaking for 48 hours and vacuum drying at 70° C. for 4 hours, the mass of the wood template is 2.7 m
27.8% increase from g to 3.45 mg (Figure 25). The high absorptivity of the precursor solution, the flexibility of the template pore, and the scalability of the procedure indicate a cost-effective and productive method to fabricate SSEs with ordered mesostructures.

ガーネット前駆体を浸潤させた木材を800℃の酸素中で4時間にわたって焼成するこ
とにより、LLZO膜を得た。チャネルが整列した木材テンプレートには、2つの独自機
能がある。第1に、木材テンプレート中の自由チャネルは、前駆体溶液をテンプレート燃
焼反応に供給する貯留層を与える。第2に、木材テンプレート中の直径2~10nmの整
列ナノファイバは、ガーネット膜中の付加的な整列孔隙率のための犠牲細孔形成体として
機能する。焼成後の形態変化をSEMによって特性評価した。木材テンプレートによる整
列細孔構造は、マイクロスケール(図20a)およびナノスケール(図20b)の両者に
おいて、得られるガーネットフレームワークにも継承されていた。木材から直接継承され
た高整列ガーネット膜は、PEOベースのポリマー電解質との浸潤によって可撓性となる
(図20c)。X線回折(XRD)によって、ガーネット膜の結晶相を識別した。木材テ
ンプレートを用いて合成した整列メソ多孔質ガーネットのXRDパターン(図20d)は
、アルミニウム(Al)ドーピングおよびLi濃度の変化に起因する高角度でのわずかな
ピークシフトにも関わらず、立方相ガーネットLiLaNb12(JCPDS#
80-0457)とよく整合していた。高速リチウムイオン伝導性ガーネットの代表的な
構造として、伝導性ガーネット相を非伝導性ガーネット相から区別する基準としてLi
La(M=Nb、Ta)が広く使用されている。JCPDS#80-0457
との整列メソ多孔質ガーネットの良好なXRDパターン整合によって、木材テンプレーテ
ィングガーネットが伝導性立方相であることが確認される。
The LLZO films were obtained by calcining the garnet precursor-infiltrated wood in oxygen at 800° C. for 4 hours. The channel-aligned wood template has two unique features. First, the free channels in the wood template provide a reservoir that feeds the precursor solution to the template combustion reaction. Second, the 2-10 nm diameter aligned nanofibers in the wood template act as sacrificial pore formers for additional aligned porosity in the garnet film. Morphological changes after firing were characterized by SEM. The wood-templated ordered pore structure was also inherited in the resulting garnet framework at both the microscale (Fig. 20a) and the nanoscale (Fig. 20b). A highly ordered garnet film inherited directly from wood becomes flexible upon infiltration with a PEO-based polymer electrolyte (Fig. 20c). The crystalline phases of the garnet films were identified by X-ray diffraction (XRD). The XRD pattern of the ordered mesoporous garnet synthesized using the wood template (Fig. 20d) shows a cubic phase garnet, despite slight peak shifts at high angles due to aluminum (Al) doping and varying Li concentration. Li5La3Nb2O12 ( JCPDS #
80-0457). As a representative structure of fast lithium-ion conducting garnets, Li 5
La 3 M 2 O 5 (M=Nb, Ta) is widely used. JCPDS#80-0457
A good XRD pattern match of the aligned mesoporous garnet with confirms that the wood-templating garnet is a conductive cubic phase.

得られた整列ガーネットの高分解能透過電子顕微鏡法(HRTEM)によって、ガーネ
ットの明確かつ十分に結晶化された格子構造が明らかである(図22a)。対応する高速
フーリエ変換(FFT)パターンによりミラー指数を計算した(図22aの差し込み図)
。HRTEMおよびFFTにより導出した格子定数は、12.982Åであり、過去に報
告された値と一致する。構造から離脱したより大きなガーネット粒子のHRTEM画像に
おいては、配向がさまざまな結晶粒をはっきりと区別することができる(図21b)。T
EMの結果は、整列メソ多孔質ガーネットが高度に結晶化され、十分に接続された多結晶
構造を有することを示している。電子エネルギー損失分光法(EELS)によって、ガー
ネット膜の組成を解析した。図21は、縁取った関心領域(ROI)でのEELSスペク
トルを示している。EELSマッピングは、酸素、炭素、およびランタンの相対組成およ
び分布を示している。酸素kエッジ信号およびランタンnエッジ信号の重畳領域は、LL
ZOの場所を識別する。炭素kエッジ信号はサンプル全体で珍しいが、酸素kエッジ信号
および炭素kエッジ信号の小さな重畳領域は識別された。これは、酸素中の焼成によるL
CO不純物が最小であることを示す。
High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) of the resulting ordered garnet reveals a well-defined and well-crystallized lattice structure of the garnet (Fig. 22a). The Miller index was calculated by the corresponding Fast Fourier Transform (FFT) pattern (inset of Fig. 22a)
. The lattice constant derived by HRTEM and FFT is 12.982 Å, consistent with previously reported values. In the HRTEM image of the larger garnet grains detached from the structure, grains with different orientations can be clearly distinguished (Fig. 21b). T.
The EM results show that the ordered mesoporous garnets are highly crystalline and have a well-connected polycrystalline structure. The composition of the garnet films was analyzed by electron energy loss spectroscopy (EELS). FIG. 21 shows the EELS spectrum with a fringed region of interest (ROI). EELS mapping shows the relative composition and distribution of oxygen, carbon and lanthanum. The overlapping region of the oxygen k-edge signal and the lanthanum n-edge signal is LL
Identify the ZO location. Carbon k-edge signals were rare throughout the sample, but small overlapping regions of oxygen and carbon k-edge signals were identified. This is due to the L
It shows that the i2CO3 impurity is minimal.

PEOポリマー電解質を整列ガーネットに浸潤させてガーネット木材を作製した。図2
2aは、エネルギー分散X線分光法(EDX)によってポリマーの浸潤を特性評価してい
る。上下から整列ガーネットチャネルまで一様に分布した炭素信号は、ポリマー電解質の
完全かつ均一な浸潤を示しており、十分なLiイオン移動経路の構築に不可欠である。本
明細書において示唆する通り、3つのLiイオン移動経路が考えられる。第1の経路は、
整列PEOポリマー電解質であって、そのバルクイオン伝導度(フィラーなし)は通例、
室温で10-7S/cmと低い。第2の経路は、整列ガーネット-ポリマー界面である。
界面において、整列メソ多孔質ガーネットは、ポリマーの部分的動態の変化を誘発してリ
チウムイオン移動に影響を及ぼし得るセラミックフィラーのように振る舞う。ポリマー電
解質のイオン伝導性に対してフィラーが及ぼす影響に関する集中的な研究によって、ルイ
ス酸特性を有するセラミックフィラーがアニオン結合および有利な伝導経路の提供により
リチウムイオン移動を促進し得ることが示唆される。第3の経路は、高体積百分率(約6
8%)の整列ガーネットナノ構造を通る移動である。近年の研究は、ガーネット-ポリマ
ー複合材電解質系における3つの移動経路のうち、ガーネット相を通る伝導が最も好まし
く、核磁気共鳴(NMR)を用いて同位体標識されたLiイオンの移動を追跡することに
より明らかであることを指摘している。なお、同じ組成を用いて本発明者らの実験室で実
現された高密度LLZOの典型的なバルクイオン伝導度は、室温で最大2.2×10-4
S/cmである。ただし、このバルクイオン伝導度は、ランダムな細孔および多数の細孔
間隙における不十分な固体-固体界面接触による高ねじれ移動経路に起因して、従来のメ
ソ多孔質構造では実現が難しい。これに対して、整列メソ多孔質ガーネット構造の低ねじ
れによれば、可撓性ガーネット木材の法線方向に沿ったLiイオン移動が阻止されず、イ
オン伝導性が効果的に促進され得る。
Garnet wood was made by infiltrating the ordered garnet with the PEO polymer electrolyte. Figure 2
2a characterizes polymer infiltration by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Uniformly distributed carbon signals from top and bottom to the aligned garnet channels indicate complete and uniform infiltration of the polymer electrolyte, which is essential for establishing sufficient Li-ion migration pathways. As suggested herein, three Li-ion migration pathways are possible. The first route is
An aligned PEO polymer electrolyte whose bulk ionic conductivity (no filler) is typically
It is as low as 10 −7 S/cm at room temperature. The second route is the ordered garnet-polymer interface.
At the interface, the ordered mesoporous garnet behaves like a ceramic filler that can induce changes in the partial dynamics of the polymer to affect lithium ion migration. Intensive studies on the effect of fillers on the ionic conductivity of polymer electrolytes suggest that ceramic fillers with Lewis acid properties can facilitate lithium ion migration by anion binding and providing favorable conduction pathways. . A third route is a high volume percentage (approximately 6
8%) through aligned garnet nanostructures. Recent studies have shown that among the three migration pathways in garnet-polymer composite electrolyte systems, conduction through the garnet phase is the most favorable, using nuclear magnetic resonance (NMR) to track the migration of isotopically labeled Li ions. It is pointed out that it is clear by It should be noted that the typical bulk ionic conductivity of dense LLZO realized in our laboratory with the same composition is up to 2.2×10 −4 at room temperature.
S/cm. However, this bulk ionic conductivity is difficult to achieve in conventional mesoporous structures due to high torsional migration paths due to random pores and poor solid-solid interfacial contact in numerous pore interstices. In contrast, the low tortuosity of the ordered mesoporous garnet structure does not block Li-ion migration along the normal direction of the flexible garnet wood and can effectively promote ionic conductivity.

電気化学的インピーダンス分光法(EIS)によって、ガーネット木材のイオン伝導性
を特性評価した。阻止電極としてステンレス鋼を備えた対称セルとなるようにガーネット
木材膜(面積0.1cm、厚さ0.4μm)を組み立て、1MHzから100mHzま
で走査した。図22bは、室温(25℃)からPEOの溶融温度(65℃)までテストし
た電解質膜のナイキストプロットを示している。電解質膜の厚さおよび面積を用いて実験
的なイオン伝導度を計算し、その結果を図22cに示す。ガーネット木材膜は、室温で1
.8×10-4S/cmというイオン伝導度を実現した。複合材の理論的なイオン伝導度
は、各相の総合寄与を体積分率で加重したものである。1.03×10-6S/cmとい
うPEOポリマー電解質の伝導度および2.2×10-4S/cmというガーネットの伝
導度を所与として、ガーネット木材の理論的な伝導度は、室温で1.5×10-4S/c
mである。各相において連続した伝導経路を有するこの低ねじれ構造において、二相界面
での伝導度の向上がなければ、理論的な伝導度は保持されるはずである。したがって、本
発明者らは、合計イオン伝導度に対する界面寄与の増大によって、理論的な伝導度と実験
的な伝導度との差が生じ得ると考える。
The ionic conductivity of garnet wood was characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). A garnet wood membrane (0.1 cm 2 area, 0.4 μm thickness) was assembled into a symmetrical cell with stainless steel as the blocking electrode and scanned from 1 MHz to 100 mHz. Figure 22b shows the Nyquist plots of electrolyte membranes tested from room temperature (25°C) to the melting temperature of PEO (65°C). The thickness and area of the electrolyte membrane were used to calculate the experimental ionic conductivity and the results are shown in Figure 22c. The garnet wood film is 1 at room temperature.
. An ionic conductivity of 8×10 −4 S/cm was achieved. The theoretical ionic conductivity of a composite is the total contribution of each phase weighted by volume fraction. Given the conductivity of the PEO polymer electrolyte of 1.03×10 −6 S/cm and the conductivity of garnet of 2.2×10 −4 S/cm, the theoretical conductivity of garnet wood is 1.5×10 −4 S/c
is m. In this low tortuosity structure with continuous conduction paths in each phase, the theoretical conductivity should be preserved if there is no conductivity enhancement at the two-phase interface. Therefore, the inventors believe that the increased interface contribution to the total ionic conductivity can lead to differences between theoretical and experimental conductivities.

動作温度が高くなると、半円の実インピーダンス軸との交点が下がるが、これは、温度
上昇によってイオン伝導性が向上したことを示す(図22b)。95℃において、イオン
伝導度は1.1×10-3S/cmまで高くなっているが、これは、室温性能を上回る6
.3倍の改善である。ガーネット木材のイオン伝導性の温度依存性は、アレニウスの式に
よって、

Figure 2023088911000005
と表現可能である。 As the operating temperature increases, the intersection of the semicircle with the real impedance axis decreases, indicating that increasing temperature improves ionic conductivity (Fig. 22b). At 95° C., the ionic conductivity increases to 1.1×10 −3 S/cm, which exceeds room temperature performance6
. A threefold improvement. The temperature dependence of the ionic conductivity of garnet wood is expressed by the Arrhenius equation as
Figure 2023088911000005
can be expressed as

ただし、σはガーネット木材の合計イオン伝導度、Aは頻度因子、Tは絶対温度、E
はガーネット木材の活性化エネルギー、kはボルツマン定数である。ガーネット木材の計
算した活性化エネルギーは0.38eVであるが、これは、ポリマー電解質の割合を調整
することによってさらに低くすることができる。この効果は、アモルファス伝導相の体積
分率の向上および長距離ポリマー鎖可動性の改善等、さまざまな向上効果に起因する。
where σ is the total ionic conductivity of garnet wood, A is the frequency factor, T is the absolute temperature, EA
is the activation energy of garnet wood and k is the Boltzmann constant. The calculated activation energy of garnet wood is 0.38 eV, but it can be lowered further by adjusting the proportion of polymer electrolyte. This effect is attributed to various enhancement effects, such as increased volume fraction of the amorphous conducting phase and improved long-range polymer chain mobility.

概念実証として、Li金属/ガーネット木材/Li金属対称セルを作製し、Liストリ
ッピング/プレーティングテストを室温で実行した(図22d)。図22eは、各方向3
0分にわたる電流密度0.1mA/cmでの特徴的な180時間のサイクルを示してい
る。対称セルの電圧応答は、わずかな変動を伴って50mVで安定していた。対称セルは
、小さな分極で600時間超にわたって良好にサイクルした(図27)。この長期サイク
ル性能は、整列メソ多孔質ガーネットによって増強されたガーネット木材膜により、高速
で安定したイオン移動が可能になり得ることを示している。また、ポリマー電解質によっ
て、整列ガーネットの機械的可撓性が大幅に向上するため、Li金属電池に使用可能とな
る。
As a proof of concept, a Li metal/garnet wood/Li metal symmetric cell was fabricated and Li stripping/plating tests were performed at room temperature (Fig. 22d). FIG. 22e shows each direction 3
A characteristic 180 hour cycle at a current density of 0.1 mA/cm 2 for 0 minutes is shown. The voltage response of the symmetrical cell was stable at 50 mV with minor fluctuations. The symmetrical cell cycled successfully for over 600 hours with small polarization (Fig. 27). This long-term cycling performance indicates that garnet wood membranes enhanced by ordered mesoporous garnets can enable fast and stable ion transfer. Polymer electrolytes also greatly improve the mechanical flexibility of aligned garnets, making them viable for Li metal batteries.

以上、マルチスケール整列メソ多孔質構造を有するガーネット木材複合材電解質を説明
した。スケーラブルな圧縮木材テンプレートによって、電気化学的性能および機械的安定
性の向上に重要な独自の低ねじれおよび大表面積のメソ構造が得られる。イオン伝導性ポ
リマーは、整列メソ多孔質ガーネット膜の機械的強度を補うとともに、アモルファス伝導
相およびガーネット-ポリマー界面を通る付加的なイオン移動経路を与えるマトリクスと
して機能する。整列メソ多孔質ガーネットの本質的な高イオン伝導性および低ねじれと組
み合わせたこれらの構造的長所の利益を受け、ガーネット木材複合材電解質は、室温で1
.8×10-4S/cm、95℃で1.1×10-3S/cmという高いLiイオン伝導
度を実現する。これは、ガーネット自体のバルク伝導度に近く、さらに、ガーネット/ポ
リマー界面による寄与の増大を示している。ガーネット木材は、高伝導性SSEのための
低ねじれ構造として優れた可能性を示すとともに、固体CPEの設計および最適化のモデ
ル研究を提供する。
Thus, garnet wood composite electrolytes with multi-scale ordered mesoporous structures have been described. Scalable compressed wood templates provide unique low tortuosity and high surface area mesostructures that are important for improved electrochemical performance and mechanical stability. The ion-conducting polymer supplements the mechanical strength of the ordered mesoporous garnet membrane and acts as a matrix to provide additional ion migration paths through the amorphous conducting phase and the garnet-polymer interface. Benefiting from these structural advantages combined with the inherent high ionic conductivity and low tortuosity of ordered mesoporous garnets, garnet wood composite electrolytes have a
. A high Li ion conductivity of 8×10 −4 S/cm and 1.1×10 −3 S/cm at 95° C. is realized. This is close to the bulk conductivity of garnet itself and further indicates an increased contribution due to the garnet/polymer interface. Garnet wood shows good potential as a low-torsion structure for highly conductive SSEs and provides model studies for the design and optimization of solid CPEs.

実験項
材料の作製
磁気撹拌によって、化学量論のLiNO(99.0%以上、Aldrich製)、L
a(NO(99.9%以上、Aldrich製)、Al(NO・9HO(
98.0%以上、Aldrich製)、ZrO(NO・xHO(99.9%、A
ldrich製)、および酢酸(99.7%超、Aldrich製)を室温でエタノール
(99.8%超、Aldrich製)に溶かすことにより、ガーネット前駆体溶液を作製
した。前駆体溶液の総カチオン濃度は、2mol/Lであった。15%の過剰硝酸リチウ
ムを添加して、高焼成温度におけるリチウム損失を補償した。
EXPERIMENTAL SECTION Material Preparation Stoichiometric LiNO 3 (>99.0% from Aldrich), L
a(NO 3 ) 3 (99.9% or more, manufactured by Aldrich), Al( NO 3 ) 3.9H 2 O (
98.0% or more, manufactured by Aldrich), ZrO(NO 3 ) 2 ·xH 2 O (99.9%, A
ldrich), and acetic acid (>99.7%, Aldrich) in ethanol (>99.8%, Aldrich) at room temperature to make a garnet precursor solution. The total cation concentration of the precursor solution was 2 mol/L. 15% excess lithium nitrate was added to compensate for lithium loss at high firing temperatures.

木材テンプレートを前述の溶液に48時間浸して、ガーネット前駆体を含浸させた。木
材テンプレートから余分な溶液を取り除き、サンプルを70℃で4時間乾燥させた。次の
熱処理を800℃の酸素中で4時間にわたって実行することにより、木材テンプレートを
焼き尽くすとともに分散前駆体を焼結した。焼結プロセスの慎重な制御によって、木材テ
ンプレートの微細構造を維持した。ガーネット膜の研削およびイソプロパノール(IPA
)中での超音波分解によって、TEM調査用のガーネットナノ粒子およびナノファイバを
得た。
The wood template was soaked in the above solution for 48 hours to impregnate with the garnet precursor. Excess solution was removed from the wood template and the sample was dried at 70°C for 4 hours. A subsequent heat treatment was performed in oxygen at 800° C. for 4 hours to burn out the wood template and sinter the dispersed precursor. Careful control of the sintering process preserved the microstructure of the wood template. Garnet film grinding and isopropanol (IPA)
) to obtain garnet nanoparticles and nanofibers for TEM investigation.

室温のアルゴン充填グローブボックスにおいて、ビス(トリフルオロメタン)スルホン
イミドリチウム塩(LiTFSI、99.85%以上、Aldrich製、EO:Li
=8:1)を含むPEO(Mv=600,000、Aldrich製)を磁気撹拌により
アセトニトリル(無水、99.8%、Aldrich製)に溶かして、PEOベースのポ
リマー電解質を作製した。15wt%のコハク酸ニトリル(SCN、99%、Aldri
ch製)を溶液に添加し、SCNが完全に溶解するまで混合物を磁気撹拌した。電気化学
的テストに先立ち、整列メソ多孔質ガーネット(ガーネット木材)中のドロップキャスト
ポリマー電解質を室温の真空中で1時間にわたって完全に乾燥させた。
Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt (LiTFSI, >99.85%, Aldrich, EO:Li + ) in an argon-filled glovebox at room temperature.
= 8:1) containing PEO (Mv = 600,000, Aldrich) was dissolved in acetonitrile (anhydrous, 99.8%, Aldrich) by magnetic stirring to make a PEO-based polymer electrolyte. 15 wt% succinitrile (SCN, 99%, Aldri
ch) was added to the solution and the mixture was magnetically stirred until the SCN was completely dissolved. Prior to electrochemical testing, the drop-cast polymer electrolyte in ordered mesoporous garnet (garnet wood) was dried completely in vacuum at room temperature for 1 hour.

材料の特性評価
Cu K放射によって、Bruker D8 Advance上でXRDを実行した。
エネルギー分散X線分光計を搭載したHitachi SU-70電界放射型SEMを用
いて、SEM画像およびそれぞれの対応するEDX画像を取得した。EELS調査用の電
子エネルギー損失分光計を搭載したJEM2100電界放射銃TEMを用いて、TEM画
像を取得した。Gatan顕微鏡法セットを用いて、高分解能TEM画像からFFT画像
を計算した。阻止電極としてのステンレス鋼プレート間のガーネット木材から成る対称セ
ルに対して、Solartron-1260インピーダンスゲインフェーズアナライザを
用いたEIS測定を実行した。各EISテスト前に、熱平衡に達するため所定温度の環境
チャンバにおいてセルを30分間放置した後、1MHzから100mHzまで走査して、
さまざまな温度におけるインピーダンス曲線を取得した。電極としてのLi金属箔間のガ
ーネット木材から成る対称セルに対して、Bio-Logic VMP3マルチチャネル
定電位電解装置を用いたLiストリッピング/プレーティングテストを実行した。アルゴ
ン充填グローブボックスにおいて、各方向に室温で30分間にわたって、0.1mA/c
の電流密度でセルをサイクルさせた。
Material Characterization XRD was performed on a Bruker D8 Advance by Cu K radiation.
SEM images and their corresponding EDX images were acquired using a Hitachi SU-70 field emission SEM equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer. TEM images were acquired using a JEM2100 field emission gun TEM equipped with an electron energy loss spectrometer for EELS studies. FFT images were calculated from high-resolution TEM images using the Gatan microscopy suite. EIS measurements were performed using a Solartron-1260 Impedance Gain Phase Analyzer on a symmetrical cell consisting of garnet wood between stainless steel plates as blocking electrodes. Before each EIS test, leave the cell in an environmental chamber at a given temperature for 30 minutes to reach thermal equilibrium, then scan from 1 MHz to 100 mHz,
Impedance curves at different temperatures were obtained. Li stripping/plating tests were performed using a Bio-Logic VMP3 multichannel potentiostat on symmetric cells consisting of garnet wood between Li metal foils as electrodes. 0.1 mA/c in each direction for 30 minutes at room temperature in an argon-filled glovebox
The cell was cycled at a current density of m2 .

図23~図29は、本例の固体電解質の作製およびその特性評価を表す。 23 to 29 show the production of the solid electrolyte of this example and its characteristic evaluation.

本例は、本開示の固体ハイブリッド電解質の説明を与える。また、本例は、このような
電解質の構成および特性評価の例を与える。
This example provides a description of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. This example also provides an example of the construction and characterization of such electrolytes.

リチウムイオン伝導性セラミック繊維:可撓性固体リチウム金属電池の新たな構成
固体リチウム金属電池の設計には、高速リチウムイオン伝導体、良好な電気化学的安定
性、および機器統合のためのスケーラブルな処理手法が必要である。本例は、固体電池に
使用する上記特徴を備えた可撓性リチウムイオン伝導性セラミック繊維の独自設計を示す
。セラミック繊維は、ガーネット型伝導体LiLaZr12を基準とし、リチウ
ムイオン伝導性立方構造、低密度、マルチスケール孔隙率、大表面積/体積率、および良
好な可撓性等、多様な望ましい化学的および構造的特性を示した。固体ガーネット繊維に
よって、固体ポリマー電解質が補強され、高リチウムイオン伝導性および500時間超に
わたって故障のない安定した長期Liサイクルを実現可能となった。また、この繊維によ
って、高性能Li金属電池用の超高カソード担持(10.8g/cm硫黄)を実現する
3D電極を設計する場合の電解質フレームワークがもたらされた。
Lithium-ion Conductive Ceramic Fibers: A New Configuration for Flexible Solid-State Lithium-Metal Batteries Solid-state lithium-metal battery designs include fast lithium-ion conductors, good electrochemical stability, and scalable processing for device integration. A method is required. This example demonstrates a unique design of flexible lithium ion conductive ceramic fibers with the above characteristics for use in solid state batteries. The ceramic fibers are based on the garnet -type conductor Li7La3Zr2O12 , with a variety of lithium- ion conductive cubic structures, low density, multi-scale porosity, large surface area/volume ratio, and good flexibility. showed desirable chemical and structural properties. The solid garnet fibers reinforced the solid polymer electrolyte and enabled high lithium-ion conductivity and long term Li cycling without failure and stable for more than 500 hours. This fiber also provided an electrolyte framework for designing 3D electrodes to achieve ultra-high cathode loadings (10.8 g/cm 2 sulfur) for high-performance Li-metal batteries.

細かく分布したイオン伝導性相を実現するため、電池中で起こるイオン伝導および電気
化学的反応の理想的な構成となるのは、大面積/体積比の繊維構造である。テンプレーテ
ィング法は、必要な構造を生成する簡単ながら効果的な方法を提供する。繊維テンプレー
トをセラミック前駆体溶液に浸した後、熱分解によって有機成分を取り除く。得られる繊
維状セラミックは、可撓性または剛性の電池構成への統合を可能にする望ましい特性を特
徴とする。たとえば、セラミックファイバネットワークの使用により、ポリマー電解質内
にリチウムイオン移動経路が構築され、ポリマーの機械的強度が向上する。あるいは、セ
ラミック繊維は、噛み合わせまたは同心構成での電極材料との組み合わせによって、電解
質体積を最小限に抑えるとともに、電極の利用を最大化するため、充電/放電時の活性電
解質エリア、リチウムイオン界面移動、および電極体積変化耐性の増大が可能である。
To achieve a finely distributed ion-conducting phase, the ideal configuration for the ion conduction and electrochemical reactions that occur in the battery is a fiber structure with a large area/volume ratio. Templating methods provide a simple yet effective way to generate the required structures. After soaking the fiber template in the ceramic precursor solution, the organic components are removed by pyrolysis. The resulting fibrous ceramics feature desirable properties that allow integration into flexible or rigid battery configurations. For example, the use of a ceramic fiber network builds lithium ion transport pathways within the polymer electrolyte and enhances the mechanical strength of the polymer. Alternatively, ceramic fibers can be combined with the electrode material in an interdigitated or concentric configuration to minimize electrolyte volume and maximize electrode utilization, thereby increasing the active electrolyte area during charge/discharge, the lithium ion interface. Movement and increased resistance to electrode volume change are possible.

本例は、テンプレートに由来するガーネットベースのリチウムイオン伝導性セラミック
繊維の作製を実証したものであって、固体バッテリに組み込む優れた特性を有する繊維が
生成された。ガーネット繊維の使用により、500時間超の安定したLiサイクルのため
のポリマー電解質および3D電極構造を同時に補強して高性能Li金属電池用の10.8
g/cmという超高硫黄担持を実現する固体リチウムイオン伝導性フレームワークを提
供した。テンプレーティング法の簡便さは、組成および構造が調節されたセラミックの作
製に有用であり、低コストで耐久性のある固体電池の構築の可能性を開く。
This example demonstrated the fabrication of template-derived garnet-based lithium-ion conductive ceramic fibers that produced fibers with excellent properties for incorporation into solid-state batteries. The use of garnet fibers simultaneously reinforces the polymer electrolyte and 3D electrode structure for >500 hours of stable Li cycling to 10.8 for high performance Li metal batteries.
We have provided a solid lithium-ion conductive framework that achieves ultra-high sulfur loading of g/cm 2 . The simplicity of the templating method is useful for the fabrication of ceramics with controlled composition and structure, opening up the possibility of constructing low-cost, durable solid-state batteries.

材料と方法
ガーネット繊維の合成
立方相ガーネットを効果的に安定させるとともに室温で高いリチウムイオン伝導性を得
るためのさまざまな異価カチオンが提案されている。15vol%の酢酸を含む30ml
のエタノールに対して、化学量論量の2.31g LiNO(99%、Alfa Ae
sar製)、0.48g Al(NO・9HO(98%、Alfa Aesar
製)、6.94g La(NO・6HO(99.9%、Alfa Aesar製
)、および5.0g ジルコニウムプロポキシド溶液(70wt%、Sigma Ald
rich製)を溶かすことにより、Li6.28Al0.24LaZr11.98
という化学組成のAlドープLLZOを作製した。過剰LiNO(15wt%)を添加
して、後続の焼成手順におけるリチウム損失を補償した。270℃の空気中で10時間ア
ニーリングしてセルロース繊維テンプレートを作製した後、エタノール(Sigma A
ldrich製)で洗浄して、100℃で12時間乾燥させた。前処理後、テンプレート
を24時間にわたって、2.5mol/LのLLZO前駆体溶液に浸した。多孔質テンプ
レート中に存在するマルチスケール多孔性によって、LLZO前駆体の均一な含浸が可能
であった。熱重量解析(TGA、STAR System製)によって、LLZO前駆体
浸潤繊維テンプレートの熱的挙動を解析した。前駆体含浸テンプレートの焼成を異なる温
度の酸素中で実行して、ガーネット繊維を得た。波長655nmのLK-H082半導体
レーザモデル(Keyence製)を用いてガーネット繊維の3D形態を走査した。40
kVおよび40mAで動作するCuKα放射源を用いて、D8 Advanced wi
th LynxEye and SolX(XRD、Bruker AXS製)上で粉末
X線回折により、LLZOの結晶相を解析した。エネルギー分散分光計(EDS、Oxf
ord Instruments製)を搭載した分析走査電子顕微鏡(SEM、Hita
chi SU-70)によって、微細構造および元素分布を調べた。
Materials and Methods Synthesis of Garnet Fibers Various heterovalent cations have been proposed to effectively stabilize cubic phase garnets and obtain high lithium ion conductivity at room temperature. 30ml containing 15vol% acetic acid
of ethanol to a stoichiometric amount of 2.31 g LiNO 3 (99%, Alfa Ae
sar), 0.48 g Al( NO3 ) 3.9H2O ( 98 %, Alfa Aesar
), 6.94 g La( NO3 ) 3.6H2O ( 99.9 %, from Alfa Aesar), and 5.0 g zirconium propoxide solution (70 wt%, Sigma Ald
Rich), Li 6.28 Al 0.24 La 3 Zr 2 O 11.98
Al-doped LLZO having a chemical composition of Excess LiNO 3 (15 wt %) was added to compensate for lithium loss in the subsequent firing procedure. Cellulose fiber templates were made by annealing in air at 270°C for 10 hours, followed by ethanol (Sigma A
ldrich) and dried at 100° C. for 12 hours. After pretreatment, the templates were soaked in 2.5 mol/L LLZO precursor solution for 24 hours. The multi-scale porosity present in the porous template allowed uniform impregnation of the LLZO precursor. The thermal behavior of the LLZO precursor-infiltrated fiber template was analyzed by thermogravimetric analysis (TGA, STAR System). Calcination of the precursor-impregnated template was performed in oxygen at different temperatures to obtain garnet fibers. The 3D morphology of the garnet fibers was scanned using a 655 nm wavelength LK-H082 semiconductor laser model (from Keyence). 40
Using a CuKα radiation source operating at kV and 40 mA, the D8 Advanced Wi
The crystalline phase of LLZO was analyzed by powder X-ray diffraction on th LynxEye and SolX (XRD, manufactured by Bruker AXS). Energy dispersive spectrometer (EDS, Oxf
ord Instruments) equipped with an analytical scanning electron microscope (SEM, Hita
Chi SU-70) investigated the microstructure and elemental distribution.

ガーネット繊維補強複合材ポリマー電解質の作製
本発明者らが先の研究で説明したようなアセトニトリルにLiTFSI(Sigma
Aldrich製)およびPEO(約600,000、Sigma Aldrich製)
を溶かして、ポリマーマトリクスを作製した。テフロンブロックに載せたガーネット繊維
にリチウム塩/ポリマー混合物を繰り返し浸潤させた。複合材ポリマー電解質を最初にア
ルゴン充填グローブボックスで乾燥させた後、真空オーブンで乾燥させて、残留溶媒を取
り除いた後、形態学的および電気化学的性能を特性評価した。比較として、同一のテンプ
レーティング法により作製された絶縁Al繊維を作製し、対照用複合材電解質とし
てポリマーマトリクスに組み込んだ。Solartron-1260インピーダンスアナ
ライザを用いて、ステンレス鋼/複合材ポリマー電解質/ステンレス鋼サンドイッチ構成
において、複合材ポリマー電解質の電気化学的インピーダンスを測定した。テフロンスペ
ーサを具備して厚さを固定した。25℃から100℃まで、1Hz~1MHzの周波数範
囲において20mVのAC振幅でインピーダンステストを実行した。Li/複合材ポリマ
ー電解質/Li封止対称セルを用いて、複合材ポリマー電解質の長期リチウムサイクル安
定性および互換性を評価した。環境チャンバ(Tenney製)において、Arbin
BT-2000により対称セルの充放電サイクルをモニタリングした。
Preparation of Garnet Fiber Reinforced Composite Polymer Electrolytes LiTFSI (Sigma
Aldrich) and PEO (about 600,000, Sigma Aldrich)
was dissolved to prepare a polymer matrix. Garnet fibers mounted on a Teflon block were repeatedly infiltrated with the lithium salt/polymer mixture. The composite polymer electrolytes were first dried in an argon-filled glovebox and then in a vacuum oven to remove residual solvent and then characterized for morphological and electrochemical performance. As a comparison, insulating Al 2 O 3 fibers made by the same templating method were made and incorporated into a polymer matrix as a control composite electrolyte. A Solartron-1260 impedance analyzer was used to measure the electrochemical impedance of the composite polymer electrolyte in a stainless steel/composite polymer electrolyte/stainless steel sandwich configuration. A Teflon spacer was provided to fix the thickness. Impedance tests were performed from 25° C. to 100° C. with an AC amplitude of 20 mV in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz. A Li/composite polymer electrolyte/Li sealed symmetrical cell was used to evaluate the long-term lithium cycle stability and compatibility of the composite polymer electrolyte. In an environmental chamber (manufactured by Tenney), Arbin
A BT-2000 monitored the charge-discharge cycles of the symmetrical cells.

固体Li-S電池用ガーネット繊維電極構成の作製
本発明者らの先の研究と同じプロセスに従って、LiLa2.75Ca0.25Zr
1.75Nb0.2512という組成のガーネット粉末を合成した。スケーラブルなテ
ープキャストおよび高温積層法によって、高密度電解質支持部を作製した。酸素雰囲気下
のチューブ炉において、積層したグリーンテープを1050℃で焼結した。酸素中のガー
ネット電解質支持部上にガーネット繊維を焼結して、カソード浸潤のフレームワークを構
成した。OおよびHOレベルがともに0.1ppmを下回るアルゴン充填グローブボ
ックスにおいてセルを組み立てた。極薄アモルファスSi層で被覆した高密度ガーネット
電解質支持部上にリチウム金属を溶融させて、適正な界面接触を実現した。
Fabrication of Garnet Fiber Electrode Configurations for Solid-State Li—S Batteries Following the same process as our previous work, Li 7 La 2.75 Ca 0.25 Zr
A garnet powder with a composition of 1.75 Nb 0.25 O 12 was synthesized. Dense electrolyte supports were fabricated by scalable tape casting and high temperature lamination methods. The laminated green tape was sintered at 1050° C. in a tube furnace under an oxygen atmosphere. Garnet fibers were sintered onto a garnet electrolyte support in oxygen to form the framework for cathodic infiltration. The cell was assembled in an argon-filled glove box with both O 2 and H 2 O levels below 0.1 ppm. Proper interfacial contact was achieved by melting lithium metal onto a dense garnet electrolyte support coated with an ultra-thin amorphous Si layer.

N-メチルピロリドン(Sigma Aldrich製)において、質量比8:1:1
の硫黄粉末(Sigma Aldrich製)、カーボンナノチューブ(Carbon
Solutions製)、およびPVP(約40,000、Sigma Aldrich
製)を混合することにより、硫黄スラリーを作製して、約10mg/mLの濃度を実現し
た。5時間の超音波分解で低濃度の均一懸濁液を得た後、硫黄スラリーの液滴を繰り返し
ガーネット繊維に適用して、開口細孔の浸潤および乾燥を行った。完成電池の総重量から
カソードスラリー浸潤前の未完成のセルの重量を減じた後、カソード混合物中の硫黄の重
量比を乗じることによって、最終的な硫黄担持を計算した。微量のDME/DOL中1M
LiTFSIをカソードに導入して、炭素フェルトがスペーサおよび集電体としてカソ
ード側に載置される前の硫黄/ガーネット接触を促進した。エポキシにより電池をコイン
型セルとして封止し、Arbin BT-2000に接続して、充放電測定を行った。
In N-methylpyrrolidone (manufactured by Sigma Aldrich), a mass ratio of 8:1:1
sulfur powder (manufactured by Sigma Aldrich), carbon nanotubes (Carbon
Solutions), and PVP (about 40,000, Sigma Aldrich
A sulfur slurry was made by mixing the product) to achieve a concentration of approximately 10 mg/mL. After 5 hours of sonication to obtain a homogeneous suspension of low concentration, droplets of sulfur slurry were repeatedly applied to the garnet fibers to wet out the open pores and dry them. The final sulfur loading was calculated by subtracting the weight of the unfinished cell before cathode slurry infiltration from the total weight of the finished battery and then multiplying by the weight ratio of sulfur in the cathode mixture. 1M in trace DME/DOL
LiTFSI was introduced to the cathode to promote sulfur/garnet contact before carbon felt was placed on the cathode side as a spacer and current collector. The battery was sealed as a coin cell with epoxy and connected to an Arbin BT-2000 for charge/discharge measurements.

結果と考察
テンプレートに前駆体溶液を含浸させた後、熱分解変換することによって、リチウムイ
オン伝導性セラミック繊維を作製した。図30に示すように、可撓性のセラミック繊維は
、従来の焼結多孔質セラミック圧粉における離散粒子の剛性ネットワークと大きく異なる
元の繊維テンプレートの構造的特性を保持していた。この繊維構造は、リチウムイオン伝
導性材料および開口細孔の空間分布に影響を及ぼす製織による連続した交錯ファイバおよ
び交差糸のネットワークで構成されていた。リチウムイオンの移動は、繊維パターン全体
にわたり、多結晶ファイバの内部および表面に沿って発生し得る。微小な多分散相互接続
細孔が個々のファイバ間に存在する一方、比較的均一なサイズおよび形状の大きな離散細
孔は、隣接糸間に見られた。
Results and Discussion Lithium-ion conductive ceramic fibers were made by impregnating the template with the precursor solution followed by pyrolytic conversion. As shown in Figure 30, the flexible ceramic fibers retained the structural properties of the original fiber template, which differed significantly from the rigid network of discrete particles in conventional sintered porous ceramic compacts. The fibrous structure consisted of a network of continuous interlaced fibers and crossed yarns by weaving that influenced the spatial distribution of the lithium-ion conductive material and open pores. Lithium ion migration can occur throughout the fiber pattern and along the interior and surface of the polycrystalline fibers. Small polydisperse interconnecting pores existed between individual fibers, while large discrete pores of relatively uniform size and shape were found between adjacent yarns.

可撓性ガーネット繊維の特性評価
繊維状セラミック繊維は、さまざまな技術分野における市販製品である。セラミックフ
ァイバおよび繊維の生産は、直接スピニングプロセスおよび間接テンプレーティングプロ
セスに分類され得る。テンプレーティングプロセスの一般的な手順は、図31a~図31
cの代表画像により説明される。すなわち、(1)テンプレートを前処理し、(2)テン
プレートに前駆体溶液を含浸し、(3)高温でのテンプレートの熱分解および残存構造の
焼結によって、前駆体をナノサイズのセラミック酸化物に変換する(図34aの熱重量解
析)。ガーネット繊維は、大部分が互いに平行かつ捩れて配置された直径約10μmの連
続した個々のマイクロファイバで構成された元のテンプレートの特徴的な物理的特性を本
質的に保持していた。断面SEM画像については、図34b~図34dを参照可能である
。ファイバは、互いに交差する直径およそ200μmの糸として一体的に束ねられ、周期
的に並んだ織編パターンを構成していた。熱処理によって、直径10~20μmの範囲の
ファイバ間細孔および糸間の大きな細孔を形成した。
Characterization of Flexible Garnet Fibers Fibrous ceramic fibers are commercial products in various technical fields. Ceramic fiber and fiber production can be classified into direct spinning and indirect templating processes. The general steps of the templating process are shown in Figures 31a-31.
is illustrated by the representative image in c. (2) impregnating the template with a precursor solution; and (3) pyrolyzing the template at high temperature and sintering the remaining structure to transform the precursor into nano-sized ceramic oxides. (thermogravimetric analysis in FIG. 34a). The garnet fibers essentially retained the characteristic physical properties of the original template, which consisted of continuous individual microfibers approximately 10 μm in diameter arranged mostly parallel and twisted to each other. For cross-sectional SEM images, see Figures 34b-34d. The fibers were bundled together as intersecting threads of approximately 200 μm diameter, forming a periodic weave pattern. The heat treatment formed inter-fiber pores and large inter-yarn pores ranging in diameter from 10 to 20 μm.

品質管理および検査を目的として、非破壊3Dレーザ走査の適用により、ガーネット繊
維の形状の大面積をマッピングした。図31dの再構成デジタル構造は、典型的な上下1
本ずつの平織り繊維パターンを示す。このトポロジの高さプロファイルは、パターン中の
交差糸分岐の最も高い位置と接地する最も低い位置との間の距離を示す。分岐エリアが一
般的に200μm前後の高さである一方、縁部エリアの一部は、わずかに大きな値を示し
た。縁部の上方巻き上がりは、適正な焼結を保証する厳密なプロセス制御によって取り除
くことができる。図31eは、ガーネット繊維の顕著な物理的特徴を示している。通常の
焼結セラミックの剛性な見掛けと異なり、ガーネット繊維は、一定の曲げ強度、幾何学的
調節、および有機溶媒浸食への耐性に関して、テンプレートと同様であった。テンプレー
ティング法の簡潔さ、迅速性、およびコスト削減の特性によって、小規模作製から大規模
製造への円滑な移行も可能となる。図35は、大寸法の特定形状に対してガーネット繊維
を調節可能な方法を示している。
For quality control and inspection purposes, a large area of garnet fiber geometry was mapped by application of non-destructive 3D laser scanning. The reconstructed digital structure of FIG.
A book-by-book plain weave fiber pattern is shown. The height profile of this topology indicates the distance between the highest point of crossing yarn branches in the pattern and the lowest point that touches the ground. While the branch areas were typically around 200 μm high, some of the edge areas showed slightly higher values. Edge curl-up can be eliminated by strict process control to ensure proper sintering. Figure 31e shows the salient physical features of garnet fibers. Unlike the rigid appearance of regular sintered ceramics, the garnet fibers were similar to the template with respect to constant flexural strength, geometric accommodation, and resistance to organic solvent attack. The simplicity, rapidity, and cost-reduction properties of the templating method also enable a smooth transition from small-scale fabrication to large-scale manufacturing. FIG. 35 illustrates how garnet fibers can be tailored to specific shapes in large dimensions.

多用途のセラミック構造を作製できるほか、テンプレーティング法は、複合酸化物の合
成に際して化学的柔軟性を提供する。公称組成がLiLaZr12のガーネット
型伝導体は、立方および正方という2つの相で存在する。立方構造は、高イオン伝導性に
有利であるが、高温でしか安定しない。図31fに示すように、多価カチオンのドーピン
グおよび前駆体溶液中のリチウム濃度の最適化による簡単な組成設計によって、800℃
という低い焼結温度で立方相の安定化を実現可能である。リチウムの過剰な揮発およびジ
ルコニウム酸ランタン(LZO)相の分離の原因となる過焼結を焼成プロセスが回避する
ように、注意を向ける必要がある。図31gにおいて、ガーネットファイバの構成化学元
素の均一な分布をEDSにより確認した。元素アルミニウムは、その簡潔さおよび低コス
トにより、立方相を安定させるとともに焼結を促進するドーピングカチオンとして機能し
ていた。
In addition to making versatile ceramic structures, the templating method offers chemical flexibility in synthesizing complex oxides. Garnet-type conductors with a nominal composition of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 exist in two phases, cubic and tetragonal. The cubic structure favors high ionic conductivity, but is stable only at high temperatures. As shown in Fig. 31f, by simple compositional design by doping multivalent cations and optimizing the lithium concentration in the precursor solution, 800 °C
Stabilization of the cubic phase can be achieved at a low sintering temperature. Care should be taken that the firing process avoids oversintering, which causes excessive volatilization of lithium and separation of the lanthanum zirconate (LZO) phase. In Fig. 31g, the uniform distribution of the constituent chemical elements of the garnet fiber was confirmed by EDS. Elemental aluminum, due to its simplicity and low cost, served as a doping cation to stabilize the cubic phase and promote sintering.

ガーネット繊維補強可撓性複合材ポリマー電解質
図32に示すように、ガーネット繊維の構造的および化学的利点は、複合材ポリマー電
解質(CPE)の機械的および電気化学的特性を補強するのに理想的となる。PEOおよ
びリチウム塩を含む溶液をガーネット繊維に真空浸潤させることによって、自立CPEを
作製した。図32aの乾燥CPEの見掛けは柔軟かつ可撓性であり、これは、効率的なぬ
れおよび毛細管作用によって、流体をマルチレベル細孔にうまく引き込み、ガーネットフ
ァイバとポリマーマトリクスとの間の強力な物理的結合が可能になったことを示す。断面
微細構造解析によって、図36aの目立つ細孔なく、CPEが十分に高密度化されたよう
に見えることがさらに確認された。硬化CPEは、均一な固体に見えるものの、異なる界
面により分離された物理的および化学的に独自のセラミックおよびポリマー相で構成され
ていた。したがって、両成分がCPE内のリチウムイオン移動動態に影響を及ぼしており
、これは、図32bの模式図により説明される。ほとんどの連続セラミックファイバは、
PEOマトリクスを貫通する糸として束ねられる。糸は一般的に、CPE内のリチウムイ
オン移動の鉛直方向と垂直に配向する(太い矢印)。リチウムイオンは、(1)PEOを
通ってガーネットファイバの「底部」に移動するとともに、PEOから高伝導性ファイバ
中に移動し、(2)糸の「上部」に達するまでファイバの長さに沿って移動した後、PE
Oに戻る、という多段階プロセスにより、CPEを横切って移動する。このプロセスは、
抵抗性のガーネット/ポリマー界面の関与またはポリマーバルクを通る拡散(点線矢印)
を最小限に抑えるため、リチウムイオンの拡散がポリマーマトリクスの溶媒和リチウム含
有物に依存しなくなる。
Garnet Fiber Reinforced Flexible Composite Polymer Electrolytes As shown in Figure 32, the structural and chemical advantages of garnet fibers make them ideal for reinforcing the mechanical and electrochemical properties of composite polymer electrolytes (CPEs). becomes. Free-standing CPEs were made by vacuum infiltrating garnet fibers with a solution containing PEO and lithium salts. The dried CPE in Fig. 32a is soft and flexible in appearance, which successfully draws fluid into multi-level pores through efficient wetting and capillary action, and strong physical interaction between the garnet fibers and the polymer matrix. This indicates that a physical connection is now possible. Cross-sectional microstructural analysis further confirmed that the CPE appeared fully densified without the conspicuous pores of Figure 36a. The cured CPE, while appearing as a uniform solid, was composed of physically and chemically unique ceramic and polymer phases separated by different interfaces. Thus, both components influence lithium ion migration kinetics within the CPE, which is illustrated by the schematic diagram in Figure 32b. Most continuous ceramic fibers are
Bundled as threads penetrating the PEO matrix. Threads are generally oriented perpendicular to the vertical direction of lithium ion migration within the CPE (thick arrows). Lithium ions migrate (1) through the PEO to the "bottom" of the garnet fiber and from the PEO into the highly conductive fiber, and (2) along the length of the fiber until they reach the "top" of the yarn. after moving with PE
Move across the CPE in a multi-step process of returning to O. This process
Involvement of the resistant garnet/polymer interface or diffusion through the polymer bulk (dotted arrow)
, the diffusion of lithium ions becomes independent of the solvated lithium content of the polymer matrix.

図32cは、異なる温度で測定したCPEの典型的なインピーダンスプロットを示す。
リチウムイオン移動プロセスは、CPE内のイオン伝導(高周波円弧)およびCPE/ス
テンレス鋼界面におけるイオン阻止(低周波傾斜テール)に分割した。円弧の高周波切片
における実インピーダンス値を読むことにより、CPEの抵抗を求めた。図32dは、ア
レニウスプロットを用いてリチウムイオン伝導性の温度依存性を解析したものである。一
般的に、リチウムイオン伝導性は、温度の上昇とともに非線形挙動を示した。温度が60
℃を超えると、活性化エネルギーがわずかに低下したが、これは、PEOの相転移温度に
対応する。PEO-LiX系が熱相転移する場合、伝導性は、活性化エネルギーが急峻に
変化することが知られている。これに対して、結晶性ガーネットにおけるリチウムイオン
伝導に対するエネルギー障壁は、テスト温度範囲全体で一定を維持すると予想される。し
たがって、CPEに観察される活性化エネルギーの滑らかな遷移から、ファイバ表面に沿
った長距離ガーネット繊維状ネットワークおよび連続チャネルの形成によって、繊維状ガ
ーネット相がCPE内のリチウムイオン伝導において優位となることが示唆される。Li
イオン伝導性ガーネット繊維がCPEの電気化学的性能に及ぼす影響をさらに説明するた
め、同一のテンプレーティング法により作製された絶縁Al繊維を用いて、対照サ
ンプルを構成した(図36b)。この対照サンプルのEISを温度の関数として測定した
(図36c)。得られた高インピーダンスかつ対応する低室温の2.48×10-6S/
cmという伝導度は、これが本質的に室温のポリマー伝導度であることから、Al
相およびセラミック/ポリマー界面がCPE内のLiイオン伝導にほとんど寄与しないこ
とを示しており、Liイオン伝導性ガーネット繊維相による支配的な寄与が確認される。
FIG. 32c shows typical impedance plots of CPE measured at different temperatures.
The lithium ion migration process was divided into ionic conduction within the CPE (high frequency arc) and ion blocking at the CPE/stainless steel interface (low frequency sloping tail). The resistance of the CPE was determined by reading the real impedance value at the high frequency intercept of the arc. FIG. 32d is an analysis of the temperature dependence of lithium ion conductivity using an Arrhenius plot. In general, lithium ion conductivity exhibited nonlinear behavior with increasing temperature. temperature is 60
Above °C, the activation energy decreased slightly, which corresponds to the phase transition temperature of PEO. It is known that when the PEO-LiX system undergoes a thermal phase transition, the conductivity changes sharply with the activation energy. In contrast, the energy barrier to lithium-ion conduction in crystalline garnet is expected to remain constant over the tested temperature range. Therefore, from the smooth transition of activation energies observed in CPEs, the formation of long-range garnet fibrous networks and continuous channels along the fiber surface leads to the dominance of the fibrous garnet phase in lithium-ion conduction within the CPEs. is suggested. Li
To further illustrate the effect of ion-conducting garnet fibers on the electrochemical performance of CPE, a control sample was constructed using insulating Al 2 O 3 fibers made by the same templating method (Fig. 36b). The EIS of this control sample was measured as a function of temperature (Fig. 36c). The resulting high impedance and corresponding low room temperature of 2.48×10 −6 S/
The conductivity of cm is for Al 2 O 3 since this is essentially the room temperature polymer conductivity.
phases and the ceramic/polymer interface contribute little to the Li-ion conduction within the CPE, confirming the dominant contribution by the Li-ion conducting garnet fiber phase.

ガーネットCPEの測定したリチウムイオン伝導度は、25℃で2.7×10-5S/
cm、60℃で1.8×10-4S/cmであった。これらは、85vol%のCPEを
含むPEO-LiXポリマー電解質系の伝導度(25℃で約10-6S/cm、60℃で
約10-5S/cm)よりも1桁高い。これは、報告されたイオン伝導度が25℃で4×
10-4S/cmである一方、体積分率で15vol%しかCPEを含まないAlドープ
ガーネットに起因する。対応する25℃での理論的な体積分率正規化CPE伝導度は、6
×10-5S/cmであり、これは測定したCPE伝導度と整合する。したがって、ガー
ネットセラミック繊維の高密度化プロセスの最適化によるガーネット相体積分率の増大に
よって、伝導性の大幅な向上も容易に実現可能となる。
The measured lithium ion conductivity of Garnet CPE is 2.7×10 −5 S/
cm and 1.8×10 −4 S/cm at 60° C. These are an order of magnitude higher than the conductivity of the PEO-LiX polymer electrolyte system with 85 vol. This has a reported ionic conductivity of 4× at 25°C.
10 −4 S/cm, while due to the Al-doped garnet containing only 15 vol % CPE in volume fraction. The corresponding theoretical volume fraction normalized CPE conductivity at 25° C. is 6
×10 −5 S/cm, which is consistent with the measured CPE conductivity. Therefore, by increasing the garnet phase volume fraction by optimizing the densification process of garnet ceramic fibers, a significant improvement in conductivity can also be easily realized.

定電流ストリッピング(0.5時間)およびプレーティング(0.5時間)測定によっ
て、CPEの長期リチウムサイクルの安定性および互換性を評価した。図36eにおいて
、60℃でのテスト期間全体にわたり、電流密度の関数としての安定したDCサイクルを
実現した。電流密度を0.05mA/cmおよび0.1mA/cmに設定した場合、
対称セルはそれぞれ、15mVおよび27mVという低い過電圧を実現した。電流密度が
0.2mA/cmに上昇すると、過電圧が急上昇して、47mVという最大値に達した
。テスト期間の残りでは、過電圧が徐々に低下して、41mVで安定した。電圧対電流密
度により得られる全体抵抗およびインピーダンス測定結果(図37a)は、電流密度およ
び動作時間の増大とともに低下したが、これは、CPEにおける活性化拡散プロセスおよ
びリチウム/CPE界面の改善によると考えられる。また、低い動作温度(図37b)お
よび高い電流密度(図37c)において、CPEの安定した定電流サイクルを実現した。
実際の用途の場合、過電圧のさらなる低下および動作寿命の延長には、マルチレベル細孔
におけるガーネット相担持の増加および硫黄架橋ポリマーの採用が必要である。
Long-term lithium cycling stability and compatibility of CPE was evaluated by galvanostatic stripping (0.5 h) and plating (0.5 h) measurements. In Fig. 36e, we achieved stable DC cycling as a function of current density over the entire test period at 60°C. When the current density is set to 0.05 mA/cm 2 and 0.1 mA/cm 2 ,
Symmetric cells achieved overvoltages as low as 15 mV and 27 mV, respectively. As the current density increased to 0.2 mA/cm 2 , the overpotential increased sharply and reached a maximum value of 47 mV. Over the rest of the test period, the overvoltage gradually decreased and stabilized at 41 mV. The overall resistance and impedance measurements obtained by voltage versus current density (Fig. 37a) decreased with increasing current density and operation time, which was attributed to the activation diffusion process in the CPE and the improvement of the lithium/CPE interface. be done. We also achieved stable galvanostatic cycling of CPE at low operating temperature (Fig. 37b) and high current density (Fig. 37c).
For practical applications, further reduction of overvoltage and extension of operating life requires increased garnet phase loading in multi-level pores and adoption of sulfur-crosslinked polymers.

ガーネット繊維構造の3D電極構成
3D電極構成の構築にもガーネット繊維を利用可能であって、繊維を高密度電解質支持
部上で焼結する(図33a)とともに、電極材料を繊維構造に浸潤させる。ここでは、硫
黄カソードの高エネルギー密度および低材料コストによる概念実証として、Li-Sバッ
テリを示す。繊維状構造の十分に分布した細孔によって、繊維は容易に、高い硫黄担持に
対応可能となった。図33bは、10.8mg/cmの硫黄を担持したガーネット繊維
のSEM画像を示している。ガーネットファイバを一体的に結び付けるとともに、開口細
孔を硫黄/炭素混合物で充填した。図38aにおいては、糸/電解質境界の領域を横切る
EDX線形走査により、ガーネット糸および電解質の露出面上の硫黄/炭素が明らかであ
る。図38bにおいては、断面解析によって、硫黄/炭素混合物が多孔質繊維を貫通して
個々のファイバを被覆し、高密度電解質表面に達していることが示される。図33cにお
いては、高倍率の下、EDXマッピングによって、ガーネットファイバに担持された硫黄
/炭素の均一な元素分布ならびに連続したリチウムイオン伝導相、電子伝導相、および硫
黄相間の密接触が確認される。
3D Electrode Configurations in Garnet Fiber Structures Garnet fibers can also be used to construct 3D electrode configurations by sintering the fibers on a dense electrolyte support (FIG. 33a) and infiltrating the fiber structure with electrode material. A Li—S battery is presented here as a proof-of-concept due to the high energy density and low materials cost of a sulfur cathode. The well-distributed pores of the fibrous structure made the fibers readily available for high sulfur loadings. FIG. 33b shows an SEM image of garnet fibers loaded with 10.8 mg/cm 2 of sulfur. The garnet fibers were bound together and the open pores were filled with a sulfur/carbon mixture. In Figure 38a, an EDX linear scan across the region of the yarn/electrolyte interface reveals sulfur/carbon on the garnet yarns and the exposed surface of the electrolyte. In FIG. 38b, cross-sectional analysis shows that the sulfur/carbon mixture penetrates through the porous fibers and coats the individual fibers to reach the dense electrolyte surface. In Fig. 33c, under high magnification, EDX mapping confirms uniform elemental distribution of sulfur/carbon supported on garnet fibers and intimate contact between successive lithium-ion-conducting, electronic-conducting, and sulfur phases. .

固体Li-S電池を組み立てて、ガーネット繊維3D電極構成の電気化学的利点を実証
した。微量の液体電解質を添加して、硫黄を活性化するとともに、望ましくないリチウム
イオン障壁を生成することなく、ガーネットと硫黄との間の接触を改善した。このハイブ
リッド構成は、微量の液体電解質の添加にも関わらず、依然として大部分が固体であった
。図39において、高密度ガーネット電解質支持部は、リチウムイオン伝導体、電子絶縁
体、および多硫化リチウムシャトルシールドとして機能した。
A solid-state Li—S battery was assembled to demonstrate the electrochemical advantages of the garnet fiber 3D electrode configuration. A trace amount of liquid electrolyte was added to activate the sulfur and improve the contact between the garnet and the sulfur without creating an undesirable lithium ion barrier. This hybrid configuration was still predominantly solid despite the addition of trace amounts of liquid electrolyte. In FIG. 39, the dense garnet electrolyte support acted as a lithium ion conductor, an electronic insulator, and a lithium polysulfide shuttle shield.

10.8mg/cmの硫黄を担持した固体Li-S電池を0.15mA/cmでサ
イクルさせた場合の充放電プロファイルを図33dに示す。硫黄カソードは、約2.1V
および約1.8Vに2つの放電プラトーを示したが、充電プロファイルでは、約2.38
Vおよび約2.43Vに対応するプラトーが存在した。充放電間の相対的に大きな分極過
電圧(約0.6V)は、相対的に厚いガーネット電解質およびガーネット電解質表面の不
純物による分極寄与が原因と考えられるが、これらは、電解質を薄くするとともに防湿L
iF相または別の液体電解質を追加することによって改善可能である。放電容量は、微量
の液体電解質の追加による連続したぬれプロセスによって硫黄の利用が改善したことによ
り5回目のサイクルで1,250mAh/gという高い値に達した。また、3D Liイ
オン伝導性電極構造によって、0.75mA/cmの電流密度での固体Li-S電池の
サイクルに成功した(図40)。繊維電極構成の体積利用を最大化するため、ほぼ2倍の
硫黄含有量(約18.6mg/cm)を試行した。このように高い硫黄担持によって利
用が低下するとともに、サイクルが早期に劣化した(図41)。ただし、800mAh/
gという安定した可逆の高容量によって、ガーネット繊維で構築した電極フレームワーク
のエネルギー貯蔵容量が確認された。
The charge-discharge profile for a solid Li—S battery loaded with 10.8 mg/cm 2 sulfur and cycled at 0.15 mA/cm 2 is shown in FIG. 33d. Sulfur cathode is about 2.1V
and two discharge plateaus at about 1.8 V, whereas the charge profile showed about 2.38 V
There was a plateau corresponding to V and about 2.43V. The relatively large polarization overvoltage (approximately 0.6 V) during charging and discharging is thought to be due to the relatively thick garnet electrolyte and the contribution of polarization by impurities on the surface of the garnet electrolyte, but these contribute to the thinning of the electrolyte and the moisture-proof L
It can be improved by adding an iF phase or another liquid electrolyte. The discharge capacity reached a high value of 1,250 mAh/g at the 5th cycle due to the improved utilization of sulfur by the continuous wetting process with the addition of trace amount of liquid electrolyte. A solid-state Li—S battery was also successfully cycled at a current density of 0.75 mA/cm 2 with a 3D Li-ion conducting electrode structure (FIG. 40). To maximize the volume utilization of the fiber electrode configuration, almost double the sulfur content (approximately 18.6 mg/cm 2 ) was tried. These high sulfur loadings led to premature cycle degradation as well as reduced utilization (FIG. 41). However, 800mAh/
The stable and reversible high capacity of g confirmed the energy storage capacity of the electrode framework constructed with garnet fibers.

高密度の固体電解質を用いてリチウムと硫黄とを分離するLi-S電池の理論的なエネ
ルギー密度は、セルレベルで500Wh/kgという高い値が推定された。比較として、
図42aは、硫黄担持用のセラミック繊維およびリチウムとの界面の可変高密度電解質構
造を利用した固体Li-S電池のエネルギー密度を示している。500μm厚の電解質支
持部および電解質面積の63%の利用により、達成可能なエネルギー密度は、71Wh/
kgであった。電解質支持部の厚さを100μmまで小さくするとともに電解質/電極面
積の整合によってより多くの硫黄を担持することにより、281Wh/kgという高いエ
ネルギー密度も可能となる。電解質支持部をさらに薄くするには、機械的強度を維持する
ための複雑な電解質構造の開発が必要である。図42bは、薄い高密度電解質(20μm
)および多孔質基板(70μm)から成る必要な二層構造の代表的なSEM画像を示して
いる。リチウム金蔵を細孔に注入して、十分なリチウム/ガーネット移動界面を生成する
とともに、機械的強度をさらに増進することも可能である。ガーネット繊維および二層支
持部を統合することによって、352Wh/kgというさらに高いエネルギー密度を実現
可能となるが、これは、最先端のリチウムイオン電池の容量をはるかに超えている。
The theoretical energy density of a Li—S battery that separates lithium and sulfur using a high-density solid electrolyte was estimated to be as high as 500 Wh/kg at the cell level. As a comparison,
Figure 42a shows the energy density of a solid-state Li-S battery utilizing ceramic fibers for sulfur support and a variable density electrolyte structure at the interface with lithium. With a 500 μm thick electrolyte support and 63% utilization of the electrolyte area, the achievable energy density is 71 Wh/
kg. A high energy density of 281 Wh/kg is also possible by reducing the thickness of the electrolyte support to 100 μm and carrying more sulfur by matching the electrolyte/electrode area. Further thinning of the electrolyte support requires the development of complex electrolyte structures to maintain mechanical strength. Figure 42b shows a thin dense electrolyte (20 µm
) and a porous substrate (70 μm). It is also possible to inject lithium metal into the pores to create a sufficient lithium/garnet migration interface and further enhance mechanical strength. By integrating garnet fibers and bilayer supports, even higher energy densities of 352 Wh/kg can be achieved, which far exceeds the capacity of state-of-the-art lithium-ion batteries.

本発明者らは、単純なテンプレーティング法により作製された可撓性リチウムイオン伝
導性ガーネット繊維の実証に成功した。可撓性ファイバガーネット繊維独自の構成上の利
点によって、連続したリチウムイオン伝導経路および高表面体積比を有する固体電解質フ
レームワークを生成可能となる。この繊維を固体ポリマー電解質に組み込むことにより、
リチウムイオン伝導性の向上および500時間超の安定したLiサイクルが可能となる。
また、調節されたガーネット繊維の使用により、3D多孔質電極を作製して、高硫黄担持
(10.8mg/cm)に対応するとともに、得られた電池が1000mAh/gとい
う高い容量をもたらした。現行の実験室スケールの作製手順は、手頃で確実な産業関連の
スケールの生産に移転可能である。これまでの初期的な試みは、固体リチウム金属電池を
対象としてきたが、本例に利用する新規な構造設計方策は、リチウムイオン技術を超える
エネルギー貯蔵および変換のための他の固体機器にも適用可能と予想される。
The inventors have successfully demonstrated flexible lithium-ion conducting garnet fibers made by a simple templating method. The unique structural advantages of flexible fiber garnet fibers allow the creation of solid electrolyte frameworks with continuous lithium-ion conducting pathways and high surface-to-volume ratios. By incorporating this fiber into a solid polymer electrolyte,
Improved lithium ion conductivity and stable Li cycling for more than 500 hours are possible.
Also, through the use of tuned garnet fibers, 3D porous electrodes were fabricated to accommodate high sulfur loadings (10.8 mg/cm 2 ) and the resulting batteries yielded capacities as high as 1000 mAh/g. . Current laboratory scale fabrication procedures are transferable to affordable and reliable industrial scale production. Initial efforts to date have focused on solid-state lithium-metal batteries, but the novel structural design strategies utilized in this example apply to other solid-state devices for energy storage and conversion beyond lithium-ion technology. expected to be possible.

図32~図42は、本例の可撓性固体電解質およびこれら電解質の特性評価を表す。こ
れらの図は、熱重量解析、付加的なSEM画像、大寸法のガーネット繊維の写真、複合材
ポリマー電解質の特性評価、硫黄浸潤ガーネット繊維電極のSEM画像、ガーネットおよ
び硫黄の安定性の特性評価、高硫黄担持の固体電池の性能、ならびにエネルギー密度の計
算を示す。
Figures 32-42 represent the flexible solid electrolytes of this example and the characterization of these electrolytes. These figures include thermogravimetric analysis, additional SEM images, photographs of garnet fibers in large dimensions, characterization of composite polymer electrolytes, SEM images of sulfur-infiltrated garnet fiber electrodes, characterization of garnet and sulfur stability, Performance of high sulfur supported solid-state batteries as well as energy density calculations are presented.

本例は、本開示の固体ハイブリッド電解質の説明を与える。また、本例は、このような
電解質の構成および特性評価の例を与える。
This example provides a description of the solid state hybrid electrolytes of the present disclosure. This example also provides an example of the construction and characterization of such electrolytes.

リチウム電池用の3Dガーネットナノファイバネットワークを備えた可撓性固体イオン伝
導性膜
リチウムの最も高い比容量(3860mA/g)および最も低い負の電気化学ポテンシ
ャル(約3.040V対標準的な水素電極)により、最先端のリチウムイオン電池(LI
B)技術を超えて、金属リチウムアノードで従来のイオンインターカレーションアノード
材料を置き換えるのが非常に望ましい。本例においては、PEOベースの複合材において
連続したLi移動チャネルを提供するガーネット型Li6.4LaZrAl0.2
12(LLZO)リチウムイオン伝導体に基づく3次元(3D)Liイオン伝導性セラ
ミックネットワークを説明する。この複合材構造は、ポリマーマトリクスの機械的特性を
向上させる構造的補強をさらにもたらす。可撓性固体電解質複合材膜は、室温で2.5×
10-4S/cmというイオン伝導度を示した。この膜は、500時間前後にわたる電流
密度0.2mA/cmおよび300時間超にわたる電流密度0.5mA/cmでの室
温におけるリチウムストリッピング/プレーティングの繰り返しにおいて、Li|電解質
|Li対称セルのデンドライトを効果的の阻止可能である。これらの結果は、可撓性リチ
ウムイオン電池およびリチウム-硫黄電池等の他の電気化学的エネルギー貯蔵系に適用可
能な全固体イオン伝導性膜を提供する。
Flexible Solid Ion-Conducting Membrane with 3D Garnet Nanofiber Network for Lithium Batteries ), the state-of-the-art lithium-ion battery (LI
B) Beyond technology, it is highly desirable to replace conventional ion intercalation anode materials with metallic lithium anodes. In the present example, garnet - type Li6.4La3Zr2Al0.2 , which provides continuous Li + transport channels in PEO-based composites
A three-dimensional (3D) Li-ion conducting ceramic network based on O 12 (LLZO) lithium-ion conductors is described. This composite structure further provides structural reinforcement that enhances the mechanical properties of the polymer matrix. Flexible solid electrolyte composite membranes are 2.5×
It showed an ionic conductivity of 10 −4 S/cm. This membrane demonstrates a Li|electrolyte|Li symmetric cell in repeated lithium stripping/plating at room temperature at current densities of 0.2 mA/ cm for around 500 hours and 0.5 mA/ cm for over 300 hours. dendrites can be effectively blocked. These results provide an all-solid-state ionically conductive membrane applicable to other electrochemical energy storage systems such as flexible lithium-ion and lithium-sulphur batteries.

本例は、リチウム電池用の3次元(3D)イオン伝導性ネットワークおよびポリマー電
解質に基づく可撓性固体リチウムイオン伝導性膜を説明する。3Dイオン伝導性ネットワ
ークは、室温での固体電解質膜のイオン伝導性および従来のポリマー電解質の機械的強度
を向上するパーコレーションガーネット型Li6.4LaZrAl0.212(L
LZO)固体電解質ナノファイバに基づく。この膜は、リチウムデンドライトを効果的に
阻止するため、高電圧および高機械的安定性に対する優れた電気化学的安定性を示してい
る。本研究は、高性能のリチウム電池を可能にする大きなブレークスルーを表す。
This example describes flexible solid state lithium ion conducting membranes based on three-dimensional (3D) ion conducting networks and polymer electrolytes for lithium batteries. The 3D ion-conducting network is a percolation garnet-type Li 6.4 La 3 Zr 2 Al 0.2 O 12 (L
LZO) based on solid electrolyte nanofibers. The film exhibits excellent electrochemical stability to high voltage and high mechanical stability as it effectively blocks lithium dendrites. This work represents a major breakthrough in enabling high performance lithium batteries.

本例においては、リチウム電池用の全固体イオン伝導性膜として、PEOベースの複合
材電解質において連続したLi移動チャネルを提供するガーネット型Li6.4La
ZrAl0.212(LLZO)ナノファイバに基づく3次元(3D)セラミックネ
ットワークの開発に成功した。(a)元素置換の最適化により室温で10-3S/cmに
迫る高いイオン伝導度、(b)リチウム金属に対する良好な化学的安定性、ならびに(c
)空気および水分に対する良好な化学的安定性といった複数の望ましい物理的および化学
的特性から、ガーネット型リチウムイオン伝導性セラミックを無機成分として選択した。
図47は、3D LLZO/ポリマー複合材膜の模式的構造を示している。LLZO多孔
質構造は、ランダムに分布・相互接続したナノファイバから成り、連続したリチウムイオ
ン伝導性ネットワークを構成する。そして、Li塩/PEOポリマーが多孔質3Dセラミ
ックネットワークに充填され、3Dガーネット/ポリマー複合材膜が形成される。ポリマ
ー電解質を作製する従来の方法と異なり、3Dガーネット/ポリマー複合材膜では、フィ
ラーをポリマーと機械的に混ぜ合わせる必要がなく、代わりに本発明者らは、予め形成さ
れた3Dセラミック構造をLi塩/ポリマー溶液に直接浸して、所望のポリマー複合材電
解質ハイブリッド構造を得ることができ、これによって、作製プロセスが簡素化されると
ともにフィラーの凝集が回避される。
In the present example, garnet-type Li6.4La3 , which provides continuous Li + transport channels in PEO-based composite electrolytes, as an all-solid-state ionically conductive membrane for lithium batteries.
We have successfully developed a three-dimensional (3D) ceramic network based on Zr 2 Al 0.2 O 12 (LLZO) nanofibers. (a) high ionic conductivity approaching 10 −3 S/cm at room temperature due to optimized element substitution, (b) good chemical stability to lithium metal, and (c
) Garnet-type lithium-ion conductive ceramics were selected as the inorganic component due to several desirable physical and chemical properties such as good chemical stability to air and moisture.
Figure 47 shows a schematic structure of a 3D LLZO/polymer composite membrane. The LLZO porous structure consists of randomly distributed and interconnected nanofibers that form a continuous lithium-ion conducting network. The Li salt/PEO polymer is then filled into the porous 3D ceramic network to form a 3D garnet/polymer composite membrane. Unlike conventional methods of making polymer electrolytes, the 3D garnet/polymer composite membrane does not require mechanical mixing of the filler with the polymer, instead we use a preformed 3D ceramic structure with Li The desired polymer-composite-electrolyte hybrid structures can be obtained by direct immersion in salt/polymer solutions, which simplifies the fabrication process and avoids filler agglomeration.

結果と考察
図48は、可撓性固体ガーネットLLZOナノファイバ補強ポリマー複合材電解質を合
成する手順を模式的に示している。図48aに示すように、関連するガーネットLLZO
塩と混合したポリビニルピロリドン(PVP)ポリマーのエレクトロスピニングによって
ガーネットLLZOナノファイバを作製した後、800℃の空気中で2時間にわたって、
作製したナノファイバを焼成した。エレクトロスピニングセットアップのドラム収集器上
では、薄い不織生地を覆ってナノファイバを収集した。
Results and Discussion Figure 48 schematically illustrates the procedure for synthesizing a flexible solid garnet LLZO nanofiber reinforced polymer composite electrolyte. As shown in Fig. 48a, the associated garnet LLZO
After making garnet LLZO nanofibers by electrospinning of polyvinylpyrrolidone (PVP) polymer mixed with salt, in air at 800° C. for 2 hours,
The produced nanofibers were sintered. Nanofibers were collected over a thin non-woven fabric on the drum collector of the electrospinning setup.

3D多孔質ガーネットナノファイバネットワークを用いたFRPC Liイオン伝導性
膜の模式的な作製を図2bに示す。ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミドリチウム
塩(LiTFSI)等のLi塩とのPEOポリマー混合物を作製する。そして、Li塩/
PEOポリマーを3Dナノファイバで補強して複合材電解質を構成するが、これは、ファ
イバ補強ポリマー複合材(FRPC)電解質膜と称し得る。フィラー含有ポリマー電解質
と比較して、FRPC電解質膜は、3Dガーネットナノファイバネットワークのフレーム
ワークを維持するとともに、ポリマー電解質の完全性を向上させる連続したナノファイバ
構造のため、優れた機械的特性を有すると考えられる。
Schematic fabrication of FRPC Li-ion conducting membranes using 3D porous garnet nanofiber networks is shown in Fig. 2b. A PEO polymer mixture is made with a Li salt such as bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt (LiTFSI). and Li salt/
The PEO polymer is reinforced with 3D nanofibers to form a composite electrolyte, which can be referred to as a fiber reinforced polymer composite (FRPC) electrolyte membrane. Compared to filler-containing polymer electrolytes, FRPC electrolyte membranes have superior mechanical properties due to the continuous nanofiber structure that maintains the framework of the 3D garnet nanofiber network and improves the integrity of the polymer electrolyte. It is thought that

図48cおよび図48eに示すように、走査電子顕微鏡法(SEM)によって、紡糸し
たPVP/ガーネット塩ナノファイバおよび焼成したガーネットナノファイバの形態を特
性評価した。焼成前、PVP/ガーネット塩ナノファイバは滑らかな表面を有しており、
直径は平均で256nmである。対応する直径分布を図48dに示す。800℃の空気中
での焼成後、PVPポリマーを除去して、ガーネットLLZOナノファイバを得た。ナノ
ファイバの平均直径は、138nmまで小さくなっていた。それぞれの直径分布を図48
fに示す。アニーリング後、ガーネットナノファイバを互いに「相互接合」し、架橋3D
ガーネットナノファイバネットワークを構成した。ナノファイバ間の大きな空間体積によ
り、Li塩/ポリマー浸潤を促進して、複合材膜を構成可能である。膜の可撓性を図48
gに示す。そして、屈曲性の電解質膜の採用により、可撓性固体リチウム電池を構成可能
である。なお、可撓性3Dイオン伝導性ネットワークの設計は主として、セラミックガー
ネットナノファイバに依存するが、これに対しては、良好なイオン伝導性および電池作製
の実現可能性のため、薄くて機械的に安定した構造が望ましい。良好な機械的安定性を維
持しつつ、より薄いポリマー複合材電解質を実現するため、いくつかの重要なパラメータ
を考慮する必要があり、エレクトロスピニングプロセス(たとえば、収集時間、ドラム回
転速度、シリンジ移動速度等)、前駆体溶液の作製(たとえば、ガーネット塩濃度、ポリ
マー濃度、ポリマー分子量、溶媒選択等)、ならびに熱アニーリングの最適化(たとえば
、加熱率、温度、時間、冷却率等)が挙げられる。
The morphologies of spun PVP/garnet salt nanofibers and calcined garnet nanofibers were characterized by scanning electron microscopy (SEM), as shown in Figures 48c and 48e. Before firing, the PVP/garnet salt nanofibers have a smooth surface,
The diameter is 256 nm on average. The corresponding diameter distribution is shown in Figure 48d. After calcination in air at 800° C., the PVP polymer was removed to obtain garnet LLZO nanofibers. The average diameter of nanofibers decreased to 138 nm. Fig. 48 shows the diameter distribution of each
f. After annealing, the garnet nanofibers are “cross-bonded” to each other and cross-linked 3D
A garnet nanofiber network was constructed. The large spatial volume between the nanofibers facilitates Li salt/polymer infiltration to construct composite membranes. Fig. 48
shown in g. By adopting a flexible electrolyte membrane, a flexible solid lithium battery can be constructed. It should be noted that the design of flexible 3D ion-conducting networks mainly relies on ceramic garnet nanofibers, for which thin and mechanical A stable structure is desirable. In order to achieve thinner polymer composite electrolytes while maintaining good mechanical stability, several important parameters need to be considered and the electrospinning process (e.g. collection time, drum rotation speed, syringe movement rate, etc.), precursor solution preparation (e.g., garnet salt concentration, polymer concentration, polymer molecular weight, solvent selection, etc.), and thermal annealing optimization (e.g., heating rate, temperature, time, cooling rate, etc.). .

図49は、ガーネットナノファイバおよびその結果としてのFRPC電解質の形態学的
特性評価を示している。図49aに示すように、ガーネットナノファイバをそれぞれの交
点で一体的に接合して、架橋ネットワークを構成した。これらの相互接続ガーネットナノ
ファイバは、長距離リチウム移動チャネルの延長による連続したイオン伝導経路を提供す
るが、これは、通常のポリマーマトリクス中に分散した孤立粒子フィラーよりも優れてい
るはずである。図49bおよび図49cは、ガーネットナノファイバの透過電子顕微鏡(
TEM)画像を示している。ガーネットナノファイバは、長く連続したナノファイバを構
成する相互接続した小さな結晶子から成る多結晶構造を有する(図49b)。図53は、
平均粒径が直径20nmのガーネットナノファイバの拡大TEM画像を示している。図4
9cは、ガーネット粒の高結晶化構造を示している。
FIG. 49 shows the morphological characterization of garnet nanofibers and the resulting FRPC electrolyte. The garnet nanofibers were joined together at their respective intersections to form a crosslinked network, as shown in Figure 49a. These interconnected garnet nanofibers provide continuous ionic conduction pathways by extending long-distance lithium transport channels, which should be superior to isolated particle fillers dispersed in regular polymer matrices. Figures 49b and 49c show transmission electron microscopy of garnet nanofibers (
TEM) image. Garnet nanofibers have a polycrystalline structure consisting of interconnected small crystallites that make up long continuous nanofibers (Fig. 49b). Figure 53 shows
FIG. 2 shows a magnified TEM image of garnet nanofibers with an average particle size of 20 nm in diameter. Figure 4
9c shows a highly crystalline structure of garnet grains.

FRPC電解質の形態をSEMにより調べた(図49d~図49f)。FRPC電解質
は、PEO-LiTFSIポリマーに由来する滑らかな表面を示していた(図49d)。
FRPC電解質の内側では、3D多孔質ガーネットナノファイバネットワークが複合材の
主構造を支持し、PEO-LiTFSIポリマーが多孔質ガーネット膜に浸潤してガーネ
ットナノファイバ間の空間を満たしていることが観察された。FRPC電解質の断面画像
は、40~50μmの厚さを示していた(図49e)。ガーネットナノファイバとPEO
-LiTFSIポリマーとの間の相間接触を改善するため、ポリマー溶融温度(T)を
わずかに上回る60℃でFRPC電解質を熱処理して、溶融したPEO-LiTFSIポ
リマーが3D多孔質ガーネットナノファイバネットワークに十分に浸潤し得るようにした
。図49fに示すように、熱処理の後、PEO-LiTFSIポリマーに十分なガーネッ
トナノファイバを埋め込んだ。ガーネットナノファイバは、PEO-LiTFSIポリマ
ー被覆によって、平均直径が500nmまで大きくなった。相互接続された細孔をポリマ
ーで満たして、良好なリチウムイオン移動を維持した。FRPC電解質膜は、相互接合セ
ラミックガーネットナノファイバネットワーク、連続ガーネットファイバ/ポリマー界面
、およびLi塩含有ポリマーマトリクスという3つのイオン伝導経路を有することが提案
されている。Li塩含有ポリマー電解質よりも高いガーネット型電解質のイオン伝導性に
より、本発明者らは、前者2つのイオン伝導経路が、電解質膜のイオン伝導性を向上させ
る支配的な因子であると考える。
The morphology of the FRPC electrolyte was examined by SEM (Figures 49d-f). The FRPC electrolyte exhibited a smooth surface derived from the PEO-LiTFSI polymer (Fig. 49d).
Inside the FRPC electrolyte, a 3D porous garnet nanofiber network supports the main structure of the composite, and the PEO-LiTFSI polymer is observed to infiltrate the porous garnet membrane and fill the spaces between the garnet nanofibers. rice field. A cross-sectional image of the FRPC electrolyte showed a thickness of 40-50 μm (FIG. 49e). Garnet nanofiber and PEO
- Heat treatment of the FRPC electrolyte at 60 °C, slightly above the polymer melting temperature (T m ), to improve the interphase contact between the LiTFSI polymer and transform the molten PEO-LiTFSI polymer into a 3D porous garnet nanofiber network. Allow sufficient infiltration. After heat treatment, enough garnet nanofibers were embedded in the PEO-LiTFSI polymer, as shown in Fig. 49f. Garnet nanofibers were grown up to 500 nm in average diameter by the PEO-LiTFSI polymer coating. The interconnected pores were filled with polymer to maintain good lithium ion transport. FRPC electrolyte membranes are proposed to have three ion-conducting pathways: an interconnected ceramic garnet nanofiber network, a continuous garnet fiber/polymer interface, and a Li-salt-containing polymer matrix. Due to the higher ionic conductivity of garnet-type electrolytes than Li-salt-containing polymer electrolytes, we believe that the former two ionic conduction pathways are the dominant factors that improve the ionic conductivity of electrolyte membranes.

熱重量解析(TGA)によって、焼成プロセス中のガーネットナノファイバ形成を調べ
た。TGAは、10℃/分という急速な加熱率の空気流下で実行した。図50aは、PV
Pポリマーおよびガーネット前駆体を含む紡糸したナノファイバのTGAプロファイルを
示している。この結果は、750℃超で重量が安定し、安定したガーネットナノファイバ
が形成されたことを示している。図50bは、PEO/LiTFSIおよびFRPC電解
質のTGAプロファイルを比較したものである。両電解質とも、200℃前後までで熱的
に安定した。急速加熱プロセスにおいて、ポリマーは、200℃超で分解し始め、400
℃前後でほぼ完全に分解したことにより、大きな質量減少を示していた。400℃の傾斜
は、LiTFSIの分解であった。FRPC電解質の場合、重量は500℃で安定し、そ
の他は、空気中のガーネット材料の優れた安定性のため、ガーネットナノファイバ膜であ
った。ポリマー電解質の場合、重量は650℃で安定し、分解したLiTFSI塩が残っ
ていた。
Garnet nanofiber formation during the sintering process was investigated by thermogravimetric analysis (TGA). TGA was performed under air flow with a rapid heating rate of 10°C/min. Figure 50a shows the PV
Fig. 2 shows TGA profiles of spun nanofibers containing P-polymer and garnet precursor. This result indicates that stable garnet nanofibers were formed with a stable weight above 750°C. Figure 50b compares the TGA profiles of PEO/LiTFSI and FRPC electrolytes. Both electrolytes were thermally stable up to around 200°C. In the rapid heating process, the polymer begins to decompose above 200°C and
It showed a large mass reduction due to almost complete decomposition at around °C. A ramp of 400° C. was the decomposition of LiTFSI. For the FRPC electrolyte, the weight was stable at 500° C., the others were garnet nanofiber membranes due to the excellent stability of the garnet material in air. In the case of the polymer electrolyte, the weight was stable at 650° C., leaving the decomposed LiTFSI salt.

固体電解質、特にポリマー電解質を使用する場合、熱的安定は重要な検討事項である。
カーボネート電解質等の従来の液体電解質は、短絡、過充電、および高温という極限状態
に電池があると、熱暴走を引き起こす傾向がある。ポリマー電解質は、その比較的高い熱
的安定性により、液体電解質よりも安全な選択肢となる。従来のポリマー電解質は、それ
自体のポリマー構造上に構築され、フィラーが電解質の十分な機械的支持部となり得ない
ため、高温、特にポリマー熱分解温度超では、必然的に溶融して収縮し、カソードとアノ
ードとの間の直接接触をもたらす可能性があり、これは安全性に対する大きな懸念である
。FRPC電解質がこの問題に対処し得るのは、ポリマー電解質中のガーネットナノファ
イバ膜が、ポリマーが失われた後でもカソードとアノードとの接触を物理的に阻止するセ
ラミック障壁を提供するためである。
Thermal stability is an important consideration when using solid electrolytes, especially polymer electrolytes.
Conventional liquid electrolytes, such as carbonate electrolytes, are prone to thermal runaway when the battery is in extreme conditions of short circuit, overcharge, and high temperature. Polymer electrolytes are a safer option than liquid electrolytes due to their relatively high thermal stability. Because conventional polymer electrolytes are built on their own polymer structure and the fillers cannot provide sufficient mechanical support for the electrolyte, they inevitably melt and shrink at high temperatures, especially above the polymer pyrolysis temperature, resulting in Direct contact between the cathode and anode can result, which is a major safety concern. FRPC electrolytes can address this issue because the garnet nanofiber membrane in the polymer electrolyte provides a ceramic barrier that physically prevents contact between the cathode and anode even after loss of polymer.

図50cおよび図50dは、従来のポリマー電解質および本研究において開発した新規
なFRPC電解質の燃焼テストを比較したものである。同じ方法でPEO-LiTFSI
ポリマーを作製する一方、フィラーとしてガーネットナノ粉末(対3Dガーネットネット
ワーク)を使用することにより、従来のポリマー電解質を作製した。ポリマーおよびフィ
ラーの質量比は、4・1に制御した。図50cにおいて、ポリマー電解質は、点火装置に
近づいた瞬間に発火し、急速に燃え尽きて灰になった。この高い可燃性は、ポリマー電解
質の不十分な熱的安定性を示している。比較として、FRPC電解質は、ポリマー成分が
失われた場合であっても傑出した熱的安定性を示し、ガーネットナノファイバ膜は依然と
してその構造を保っていた(図50d)。FRPC電解質が提供し得るこの低い可燃性は
、すべてのリチウム金属およびリチウムイオン電池の安全性を高める。
Figures 50c and 50d compare combustion tests of a conventional polymer electrolyte and the novel FRPC electrolyte developed in this study. PEO-LiTFSI in the same way
While making the polymer, a conventional polymer electrolyte was made by using garnet nanopowder (vs. 3D garnet network) as a filler. The mass ratio of polymer and filler was controlled at 4:1. In Figure 50c, the polymer electrolyte ignited the moment it approached the igniter and quickly burned out to ash. This high flammability indicates poor thermal stability of the polymer electrolyte. In comparison, the FRPC electrolyte exhibited outstanding thermal stability even when the polymer component was lost, and the garnet nanofiber membrane still retained its structure (Fig. 50d). The low flammability that FRPC electrolytes can offer enhances the safety of all lithium metal and lithium ion batteries.

800℃で2時間にわたって焼成したLLZOガーネットナノファイバの粉末X線回折
(XRD)パターンを図51aに示す。ほぼすべての回折ピークが立方相ガーネットLi
LaNb12(JCPBSカード80-0457)と非常によく整合する。Li
La(M=Nb、Ta)は、高速リチウムイオン伝導処理ガーネット状構造
の第1の例であり、LLZO材料のガーネット構造を調べるモデルとして広く利用されて
いる代表的な構造である。したがって、ここでは標準的なLiLaNb12
RDプロファイルを使用して、合成したガーネットナノファイバ構造を識別した。微量の
LaZrを識別したが、他の不純物は検出限界未満であった。TG結果によれば
、前駆体の酸化物への分解は、約750℃で完了している。800℃までさらに加熱する
と、酸化物が反応して、立方相LLZOガーネット構造が形成された。ただし、微量のL
Zr相は、高温でのリチウム損失によっても形成される可能性がある。
The powder X-ray diffraction (XRD) pattern of LLZO garnet nanofibers calcined at 800° C. for 2 hours is shown in FIG. 51a. Almost all diffraction peaks are cubic phase garnet Li
Matches very well with 5La3Nb2O12 ( JCPBS card 80-0457 ) . Li
5 La 3 M 2 O 5 (M=Nb, Ta) is the first example of a garnet-like structure treated with high-speed lithium ion conduction, and is a representative structure widely used as a model for investigating the garnet structure of LLZO materials. is. Therefore, here the standard Li 5 La 3 Nb 2 O 12 X
RD profiles were used to identify synthesized garnet nanofiber structures. Traces of La 2 Zr 2 O 7 were identified, but other impurities were below detection limits. According to the TG results, decomposition of the precursor to oxide is complete at about 750°C. Further heating to 800° C. caused the oxides to react to form a cubic phase LLZO garnet structure. However, a small amount of L
The a 2 Zr 2 O 7 phase can also be formed by lithium loss at high temperatures.

電気化学的インピーダンス分光法(EIS)によって、FRPC電解質の総合的なリチ
ウムイオン伝導性を特性評価した。図51bは、1Hz~1MHzの周波数範囲における
ステンレス鋼阻止電極間に挟まれたFRPC電解質の典型的なナイキストプロットを示し
ている。各インピーダンスプロファイルは、高周波での実軸切片、中間周波数での半円、
および低周波での傾斜直線を示している。高周波および中間周波数領域における実軸上の
延長半円および半円の切片は、FRPC電解質のバルク緩和を表す。低周波テールは、リ
チウムイオンの移動および阻止電極の表面の不均一性に起因する。図51cは、FRPC
電解質のアレニウスプロットを示している。FRPC電解質の厚さおよびステンレス電極
の直径に基づいて、リチウムイオン伝導度を計算した。立方相LLZOガーネットペレッ
トのリチウムイオン伝導度が10-3S/cmと高くなる一方、リチウム塩充填PEOは
一般的に、室温で10-6~10-9S/cmのオーダである。伝導性立方LLZOガー
ネットおよびリチウムPEOを組み合わせた本発明者らのFRPC電解質は、室温で2.
5×10-4S/cmというかなり高いイオン伝導度を示し得る。
The overall lithium ion conductivity of the FRPC electrolyte was characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). FIG. 51b shows a typical Nyquist plot of an FRPC electrolyte sandwiched between stainless steel blocking electrodes in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz. Each impedance profile has a real axis intercept at high frequencies, a semicircle at intermediate frequencies,
and a sloping straight line at low frequencies. The extended semicircle on the real axis and the intercept of the semicircle in the high and intermediate frequency regions represent the bulk relaxation of the FRPC electrolyte. The low frequency tail is due to lithium ion migration and non-uniformities in the surface of the blocking electrode. Figure 51c shows the FRPC
Figure 3 shows Arrhenius plots of electrolytes; Lithium ion conductivity was calculated based on the thickness of the FRPC electrolyte and the diameter of the stainless steel electrode. The lithium ion conductivity of cubic phase LLZO garnet pellets is as high as 10 −3 S/cm, while lithium salt-filled PEO is typically on the order of 10 −6 to 10 −9 S/cm at room temperature. Our FRPC electrolyte, which combines a conductive cubic LLZO garnet and lithium PEO, is 2.0 at room temperature.
It can exhibit a fairly high ionic conductivity of 5×10 −4 S/cm.

高電圧リチウム電池のポリマー電解質適用を決定する別の主要因は、大きな電気化学的
窓である。図51dは、リチウム金属を基準対電極として使用し、ステンレス鋼を作動電
極として使用するFRPC電解質の線形掃引ボルタンメトリ(LSV)プロファイルの結
果を示している。FRPC電解質は、最大6.0V対Li/Liの安定した電位窓を示
しており、この伝導性膜が高電圧リチウム電池のほとんどの要件を満たし得ることを示し
ている。
Another major factor determining polymer electrolyte application in high voltage lithium batteries is the large electrochemical window. Figure 51d shows the results of a linear sweep voltammetry (LSV) profile of the FRPC electrolyte using lithium metal as the reference counter electrode and stainless steel as the working electrode. The FRPC electrolyte exhibits a stable potential window up to 6.0 V vs. Li/Li 2 + , indicating that this conductive membrane can meet most requirements of high voltage lithium batteries.

Li|FRPC電解質|Li対称セルを用いて、Liデンドライトに対するFRPC電
解質膜の機械的安定性を評価した。定電流での充放電プロセスにおいて、リチウムイオン
は、リチウム金属電極のプレーティング/ストリッピングによって、リチウム金属電池の
充放電動作を模倣する。図52aは、対称セルセットアップの模式図を表す。FRPC電
解質膜は、2つのリチウム金属箔で挟み、封止してコインセルとした。図52bは、0.
2mA/cmの定電流密度および15℃の温度で230時間超にわたってサイクルさせ
たFRPC電解質膜を有するセルの時間に応じた電圧プロファイルを示している。対称セ
ルは、0.5時間にわたって周期的に充放電させた。正の電圧がLiストリッピングであ
り、負の電圧値がLiプレーティングプロセスを表す。最初の70時間において、セルの
電圧は0.3Vから0.4Vまでわずかに上昇した後、0.4Vで安定した。
A Li|FRPC electrolyte|Li symmetric cell was used to evaluate the mechanical stability of FRPC electrolyte membranes against Li dendrites. In the constant current charging/discharging process, lithium ions mimic the charging/discharging behavior of lithium metal batteries by plating/stripping the lithium metal electrodes. Figure 52a presents a schematic diagram of a symmetrical cell setup. The FRPC electrolyte membrane was sandwiched between two lithium metal foils and sealed to form a coin cell. Figure 52b shows 0.
Figure 2 shows the voltage profile as a function of time for a cell with a FRPC electrolyte membrane cycled at a constant current density of 2 mA/cm2 and a temperature of 15°C for over 230 hours. Symmetrical cells were charged and discharged cyclically for 0.5 hours. A positive voltage is Li stripping and a negative voltage value represents the Li plating process. In the first 70 hours, the cell voltage rose slightly from 0.3V to 0.4V and then stabilized at 0.4V.

図52cに示すように、テスト温度が25℃まで上昇すると、高温でのイオン伝導性の
向上により、電圧は0.3Vまで低下した。後続の長時間サイクルにおいては、サイクル
時間が700時間まで経過するのに応じて、電圧は0.2Vまで下がり続けた(図54)
。電圧の変動は、周囲環境の温度変化が原因であった。図55に示すように、2つの異な
るストリッピング/プレーティングプロセス時間における対称セルの2つの電圧プロファ
イルを比較した。電圧のヒステリシスは、サイクル時間の経過に伴って明らかに少なくな
った。この電圧の低下は、時間の経過とともに電圧が一般的に高くなる液体電解質系とは
大きく異なり、主に、インピーダンスの増加をもたらす不均一なLiの堆積および激しい
電解質の分解が原因である。近年のポリマー電解質の研究においても、同様の電圧低下が
観察されているものの、サイクル時間の経過とともに電圧が下がり続ける原因は説明され
ていない。本発明者らの理解に基づいて、電圧の低下は、Liの繰り返し電着時の電解質
膜とリチウム金属との間の界面の改善によると考えられ、300時間、500時間、およ
び700時間に測定された対称セルのEISスペクトルによって確認される(図52d)
。低周波での窪んだ半円は、サイクル中の電解質膜とリチウム金属との間の界面インピー
ダンスの低下を示す。高周波(図52e)においても、サイクル時間の経過とともに半円
が小さくなっているが、これは、電解質膜のバルクインピーダンスの低下を示す。電流密
度が0.5mA/cmまで上昇すると、電圧は0.3Vまで高くなり、1000時間ま
での時間の経過とともにセルも電圧がわずかに低下していたが(図52f)、これは、長
いサイクル寿命による良好なサイクル安定性を示す。
As the test temperature increased to 25° C., the voltage decreased to 0.3 V due to the enhancement of ionic conductivity at high temperature, as shown in FIG. 52c. In subsequent long cycles, the voltage continued to drop to 0.2 V as the cycle time progressed to 700 hours (Fig. 54).
. Voltage fluctuations were caused by temperature changes in the surrounding environment. Two voltage profiles of a symmetrical cell at two different stripping/plating process times were compared, as shown in FIG. The voltage hysteresis decreased significantly with increasing cycle time. This voltage drop is significantly different from liquid electrolyte systems, where voltage typically increases over time, and is primarily due to non-uniform Li deposition and severe electrolyte decomposition leading to an increase in impedance. Similar voltage drops have been observed in recent research on polymer electrolytes, but the reason why the voltage continues to drop with cycle time has not been explained. Based on our understanding, the drop in voltage is attributed to the improvement of the interface between the electrolyte membrane and lithium metal during repeated electrodeposition of Li, measured at 300, 500, and 700 hours. This is confirmed by the EIS spectrum of the symmetrical cell that was processed (Fig. 52d).
. The depressed semicircle at low frequencies indicates a decrease in interfacial impedance between the electrolyte membrane and lithium metal during cycling. Even at high frequency (Fig. 52e), the semicircle becomes smaller with cycle time, indicating a decrease in the bulk impedance of the electrolyte membrane. As the current density increased to 0.5 mA/cm 2 , the voltage increased to 0.3 V, and the cell also decreased in voltage slightly with time up to 1000 hours (Fig. 52f), but this It shows good cycle stability with cycle life.

以上、リチウム電池用として、3Dガーネット/ポリマー複合材の全固体イオン伝導性
膜を合成した。エレクトロスピニングおよび高温アニーリングによって、3Dガーネット
ナノファイバネットワークを作製した。ガーネットナノファイバは、長距離リチウムイオ
ン移動経路を提供するとともに、構造的補強の提供によってポリマーマトリクスを増強す
る「相互接合」3D構造を構成した。この可撓性固体電解質複合材膜は、室温で2.5×
10-4S/cmというイオン伝導度を示した。この膜は、500時間前後にわたる電流
密度0.2mA/cmおよび300時間および300時間超にわたる電流密度0.5m
A/cmでの室温におけるリチウムストリッピング/プレーティングの繰り返しにおい
て|電解質|Li対称セルのデンドライトを効果的の阻止可能である。対称セルについて
、サイクル時間の経過とともに電圧の低下が観察されるが、これは、リチウムの繰り返し
電着時の界面の改善に起因すると考えられる。本例は、可撓性リチウムイオン電池および
リチウム-硫黄電池等の他の電気化学的エネルギー貯蔵系への適用が予想される固体電解
質における3D Liイオン伝導性セラミック材料の開発について記載している。
Thus, a 3D garnet/polymer composite all-solid-state ion-conducting membrane was synthesized for lithium batteries. A 3D garnet nanofiber network was fabricated by electrospinning and high temperature annealing. The garnet nanofibers constructed an 'interconnected' 3D structure that provides long-distance lithium-ion migration pathways and enhances the polymer matrix by providing structural reinforcement. This flexible solid electrolyte composite membrane is 2.5×
It showed an ionic conductivity of 10 −4 S/cm. This membrane has a current density of 0.2 mA/ cm2 for around 500 hours and a current density of 0.5 mA/cm2 for 300 hours and over 300 hours.
The dendrites of |electrolyte|Li symmetric cells can be effectively blocked in repeated lithium stripping/plating at room temperature at A/cm 2 . A decrease in voltage is observed with cycle time for the symmetric cell, which is attributed to the improvement of the interface during repeated electrodeposition of lithium. This example describes the development of 3D Li-ion conducting ceramic materials in solid electrolytes with potential applications in other electrochemical energy storage systems such as flexible lithium-ion and lithium-sulphur batteries.

1つまたは複数の特定の実施形態および/または例に関して本開示を説明したが、本開
示の範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施形態および/または例も可能であるこ
とが了解される。
While the present disclosure has been described with respect to one or more specific embodiments and/or examples, it is understood that other embodiments and/or examples of the disclosure are possible without departing from the scope of the present disclosure. be.

Claims (53)

無機固体電解質(SSE)と、
前記固体電解質材料の外面の少なくとも一部または全部に配設されたポリマー材料と、
を含む、固体ハイブリッド電解質。
an inorganic solid electrolyte (SSE);
a polymer material disposed on at least part or all of the outer surface of the solid electrolyte material;
A solid hybrid electrolyte comprising:
前記SSE材料が、モノリシックSSE体またはメソ多孔質SSE体である、請求項1
に記載のハイブリッド電解質。
Claim 1, wherein the SSE material is a monolithic SSE body or a mesoporous SSE body.
A hybrid electrolyte as described in .
前記SSE材料が、ディスク、シート、または多面体である、請求項1に記載のハイブ
リッド電解質。
2. The hybrid electrolyte of claim 1, wherein said SSE material is a disc, sheet, or polyhedron.
前記ポリマー材料が、1つまたは複数の点において、10nm~10ミクロンの厚さを
有する、請求項1に記載のハイブリッド電解質。
2. The hybrid electrolyte of claim 1, wherein said polymeric material has a thickness of between 10 nm and 10 microns at one or more points.
前記SSEが、複数のファイバまたはストランドを含む、請求項1に記載のハイブリッ
ド電解質。
2. The hybrid electrolyte of Claim 1, wherein the SSE comprises a plurality of fibers or strands.
前記ファイバが、織編基板として存在する、請求項5に記載のハイブリッド電解質。 6. The hybrid electrolyte of claim 5, wherein said fiber is present as a woven substrate. 前記ファイバが、ランダムに配置または配列された、請求項5に記載のハイブリッド電
解質。
6. The hybrid electrolyte of claim 5, wherein said fibers are randomly arranged or arranged.
前記無機SSE材料の前記ファイバまたはストランドが、相互接続3Dネットワークを
形成する、請求項5に記載のハイブリッド電解質。
6. The hybrid electrolyte of claim 5, wherein said fibers or strands of said inorganic SSE material form an interconnected 3D network.
前記SSE材料が、リチウムイオン伝導性SSE材料、ナトリウムイオン伝導性SSE
材料、またはマグネシウムイオン伝導性SSE材料を含む、請求項1に記載のハイブリッ
ド電解質。
wherein the SSE material is a lithium ion conducting SSE material, a sodium ion conducting SSE
material, or a magnesium ion-conducting SSE material.
前記リチウムイオン伝導性SSE材料が、リチウムペロブスカイト材料、LiN、L
i-β-アルミナ、リチウム超イオン伝導体(LISICON)、Li2.88PO3.
860.14(LiPON)、LiAlSiO、Li10GeP12、リチウ
ムガーネット材料、ドープリチウムガーネット材料、リチウムガーネット複合材料、およ
びこれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項9に記載のハイブリッド電解質
The lithium ion conductive SSE material is a lithium perovskite material, Li3N ,L
i-β-alumina, lithium superionic conductor (LISICON), Li 2.88 PO 3.
9. Selected from the group consisting of86N0.14 (LiPON), Li9AlSiO8 , Li10GeP2S12 , lithium garnet materials, doped lithium garnet materials, lithium garnet composites, and combinations thereof . A hybrid electrolyte as described in .
前記リチウムガーネット材料が、カチオンドープLiLa 12(ただし、
はNb、Zr、Ta、またはこれらの組み合わせ)、カチオンドープLiLa
aTa12、カチオンドープLiLaZr12、およびカチオンドープLi
BaY 12(ただし、MはNb、Zr、Ta、またはこれらの組み合わせ
)であり、カチオンドーパントが、バリウム、イットリウム、亜鉛、またはこれらの組み
合わせである、請求項10に記載のハイブリッド電解質。
The lithium garnet material is cation-doped Li 5 La 3 M 12 O 12 (where
M 1 is Nb, Zr, Ta, or a combination thereof), cation-doped Li 6 La 2 B
aTa2O12 , cation - doped Li7La3Zr2O12 , and cation -doped Li
11. The claim 10 , wherein M1 is Nb, Zr, Ta, or combinations thereof, and the cationic dopant is barium, yttrium, zinc, or combinations thereof. hybrid electrolyte.
前記リチウムガーネット材料が、LiLaNb12、LiLaTa
、LiLaZr12、LiLaSrNb12、LiLaBaNb
12、LiLaSrTa12、LiLaBaTa12、Li
Zr12、Li6.4Zr1.4Ta0.612、Li6.5La2.5Ba
0.5TaZrO12、LiBaY 12、LiZr12、Li
.75BaLaNb1.75Zn0.2512、Li6.75BaLaTa1.7
Zn0.2512、およびこれらの組み合わせである、請求項10に記載のハイブリ
ッド電解質。
The lithium garnet material is Li 5 La 3 Nb 2 O 12 , Li 5 La 3 Ta 2 O 1
2 , Li7La3Zr2O12 , Li6La2SrNb2O12 , Li6La2BaNb _ _ _ _
2O12 , Li6La2SrTa2O12 , Li6La2BaTa2O12 , Li7Y3 _ _ _ _ _
Zr2O12 , Li6.4Y3Zr1.4Ta0.6O12 , Li6.5La2.5Ba _ _ _ _
0.5 TaZrO12 , Li6BaY2M12O12 , Li7Y3Zr2O12 , Li6 _ _ _ _
. 75BaLa2Nb1.75Zn0.25O12 , Li6.75BaLa2Ta1.7 _ _ _ _ _
11. The hybrid electrolyte of claim 10, which is 5Zn0.25O12 , and combinations thereof.
前記ナトリウムイオン伝導性SSE材料が、β”-Al、NaZrSi
12(NASICON)、カチオンドープNASICON、およびこれらの組み合わせ
から成る群から選択される、請求項9に記載のハイブリッド電解質。
The sodium ion conducting SSE material is β″-Al 2 O 3 , Na 4 Zr 2 Si 2 P
10. The hybrid electrolyte of claim 9 selected from the group consisting of O12 (NASICON), cation-doped NASICON, and combinations thereof.
前記マグネシウムイオン伝導性SSE材料が、Mg1+x(Al,Ti)(PO
(ただし、xは4または5)、NASICON型マグネシウムイオン伝導性材料、およ
びこれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項9に記載のハイブリッド電解質
The magnesium ion-conducting SSE material is Mg 1+x (Al,Ti) 2 (PO 4 )
6 , where x is 4 or 5, a NASICON-type magnesium ion-conducting material, and combinations thereof.
前記無機SSEが、前記無機SSEの外面に露出した細孔を有し、前記ハイブリッド電
解質が、前記細孔の少なくとも一部に配設された少なくとも1つのカソード材料および/
または少なくとも1つのアノード材料をさらに含み、
少なくとも1つのカソード材料および少なくとも1つのアノード材料が前記細孔の少な
くとも一部に配設される場合、前記少なくとも1つのカソード材料および少なくとも1つ
のアノード材料が、前記無機SSEの離散かつ電気的に分離された領域に配設される、請
求項1に記載のハイブリッド電解質。
at least one cathode material wherein the inorganic SSE has pores exposed to the outer surface of the inorganic SSE, and the hybrid electrolyte is disposed in at least a portion of the pores; and/or
or further comprising at least one anode material,
When at least one cathodic material and at least one anodic material are disposed in at least a portion of the pores, the at least one cathodic material and the at least one anodic material are discrete and electrically isolated from the inorganic SSE. 11. The hybrid electrolyte of claim 1, disposed in a region with a ridge.
前記ポリマー材料が、ポリ(エチレン)(PE)、ポリ(エチレンオキシド)(PEO
)、ポリ(プロピレン)(PP)、ポリ(プロピレンオキシド)、ポリメチルメタクリレ
ート(PMMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ[ビス(メトキシエトキシエ
トキシド)-ホスファゼン]、ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)、セルロース、
酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、ポリ二フッ化ビニ
リデン(PVdF)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリスチレン、スルホン酸塩(
PSS)、ポリ塩化ビニル(PVC)群、ポリ(塩化ビニリデン)ポリプロピレンオキシ
ド、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ(エチレンテレフタレート)(
PET)、ポリイミド、ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)、PEO含有共重合体
(たとえば、ポリスチレン(PS)-PEO共重合体およびポリ(メチルメタクリレート
)(PMMA)-PEO共重合体)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(アクリロ
ニトリル-メチルアクリレート共重合体)、PVdF含有共重合体、PMMA共重合体、
これらの誘導体、およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるポリマーを含む(
たとえば、そのようなポリマーである)、請求項1に記載のハイブリッド電解質。
The polymer material is poly(ethylene) (PE), poly(ethylene oxide) (PEO)
), poly(propylene) (PP), poly(propylene oxide), polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), poly[bis(methoxyethoxyethoxide)-phosphazene], poly(dimethylsiloxane) (PDMS) ,cellulose,
Cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, polyvinylidene difluoride (PVdF), polyvinylpyrrolidone (PVP), polystyrene, sulfonate (
PSS), polyvinyl chloride (PVC) group, poly(vinylidene chloride) polypropylene oxide, polyvinyl acetate, polytetrafluoroethylene, poly(ethylene terephthalate) (
PET), polyimides, polyhydroxyalkanoates (PHA), PEO-containing copolymers (e.g., polystyrene (PS)-PEO copolymers and poly(methyl methacrylate) (PMMA)-PEO copolymers), polyacrylonitrile (PAN ), poly(acrylonitrile-methyl acrylate copolymer), PVdF-containing copolymer, PMMA copolymer,
derivatives thereof, and polymers selected from the group consisting of combinations thereof (
The hybrid electrolyte of claim 1, which is, for example, such a polymer.
前記ポリマー材料が、ゲルである、請求項1に記載のハイブリッド電解質。 2. The hybrid electrolyte of claim 1, wherein said polymeric material is a gel. 前記ゲルが、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメ
トキシエタン(DME)、ジオキソラン(DOL)、N-プロピル-N-メチルピロリジ
ニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PYR13TFSI)、および
これらの組み合わせから成る群から選択される液体ならびに/またはLiPF、LiT
FSI、LiTFSI、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される塩を含む、
請求項17に記載のハイブリッド電解質。
The gel contains ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethoxyethane (DME), dioxolane (DOL), N-propyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR 13 TFSI). , and combinations thereof and/or LiPF 6 , LiT
a salt selected from the group consisting of FSI, LiTFSI, and combinations thereof;
18. The hybrid electrolyte of claim 17.
前記ゲルの前記ポリマー材料が、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニ
リデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF-HFP共重合体)、ポリビニル
ピロリドン(PVP)、PEO、PMMA、PAN、ポリスチレン(PS)、ポリエチレ
ン(PE)、およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるポリマーを含む(たと
えば、そのようなポリマーである)、請求項17に記載のハイブリッド電解質。
The polymer material of the gel is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP copolymer), polyvinylpyrrolidone (PVP), PEO, PMMA, PAN, polystyrene (PS). 18. The hybrid electrolyte of claim 17, comprising (eg, being) a polymer selected from the group consisting of, polyethylene (PE), and combinations thereof.
前記ポリマー材料が、金属塩を含む、請求項1に記載のハイブリッド電解質。 2. The hybrid electrolyte of Claim 1, wherein the polymeric material comprises a metal salt. 前記ポリマー材料が、セラミックフィラーを含む、請求項1に記載のハイブリッド電解
質。
2. The hybrid electrolyte of Claim 1, wherein the polymeric material comprises a ceramic filler.
前記セラミックフィラーが、導電性粒子、非導電性粒子、セラミックナノ材料から成る
群から選択される、請求項21に記載のハイブリッド電解質。
22. The hybrid electrolyte of claim 21, wherein said ceramic filler is selected from the group consisting of conductive particles, non-conductive particles, ceramic nanomaterials.
請求項1に記載のハイブリッド電解質を備えた、機器。 A device comprising the hybrid electrolyte of claim 1. 前記ハイブリッド電解質と、
アノードと、
カソードと、
を備え、
前記ハイブリッド電解質が、前記カソードと前記アノードとの間に配設された、電池で
ある、請求項23に記載の機器。
the hybrid electrolyte;
an anode;
a cathode;
with
24. The device of claim 23, wherein said hybrid electrolyte is a battery disposed between said cathode and said anode.
前記電池が、前記カソードおよび/または前記アノードの少なくとも一部に配設された
集電体をさらに備えた、請求項24に記載の機器。
25. The device of claim 24, wherein said battery further comprises a current collector disposed on at least a portion of said cathode and/or said anode.
前記集電体が、導電性の金属または金属合金である、請求項25に記載の機器。 26. The device of Claim 25, wherein the current collector is a conductive metal or metal alloy. 前記電池が、リチウムイオン伝導性固体電池であり、前記ハイブリッド電解質が、リチ
ウムイオン伝導性SSE材料である、請求項24に記載の機器。
25. The device of claim 24, wherein said battery is a lithium ion conducting solid state battery and said hybrid electrolyte is a lithium ion conducting SSE material.
前記電池が、ナトリウムイオン伝導性固体電池であり、前記ハイブリッド電解質が、ナ
トリウムイオン伝導性SSE材料である、請求項24に記載の機器。
25. The device of claim 24, wherein said battery is a sodium ion conducting solid state battery and said hybrid electrolyte is a sodium ion conducting SSE material.
前記電池が、マグネシウムイオン伝導性固体電池であり、前記ハイブリッド電解質が、
マグネシウムイオン伝導性SSE材料である、請求項24に記載の機器。
wherein the battery is a magnesium ion conductive solid state battery, and the hybrid electrolyte comprises
25. The device of claim 24, which is a magnesium ion-conducting SSE material.
前記カソードおよび/または前記アノードが、導電性炭素材料を含み、前記カソード材
料が任意選択として、有機またはゲルイオン導電性電解質をさらに含む、請求項24に記
載の機器。
25. The device of claim 24, wherein said cathode and/or said anode comprise a conductive carbon material, said cathode material optionally further comprising an organic or gel ion-conducting electrolyte.
前記カソードが、硫黄、硫黄複合材、および多硫化物材料から選択される材料を含むか
、または、空気である、請求項24に記載の機器。
25. The apparatus of claim 24, wherein the cathode comprises a material selected from sulfur, sulfur composites and polysulfide materials, or is air.
前記カソードが、リチウム含有カソード材料から成る群から選択される材料を含む、請
求項27に記載の機器。
28. The device of claim 27, wherein said cathode comprises a material selected from the group consisting of lithium-containing cathode materials.
前記リチウム含有カソード材料が、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、LiC
oO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNi0.5Co0.2Mn0.
、リチウムマンガン酸化物(LMO)、リチウムリン酸鉄(LFP)、LiMnP
、LiCoPO、およびLiMMn(ただし、MはFe、Co、およびこ
れらの組み合わせから選択される)から成る群から選択される、請求項32に記載の機器
The lithium-containing cathode material is Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide, LiC
oO2 , LiNi1 /3Co1 / 3Mn1 / 3O2 , LiNi0.5Co0.2Mn0 .
3 O 2 , lithium manganese oxide (LMO), lithium iron phosphate (LFP), LiMnP
33. The device of claim 32 , selected from the group consisting of O4 , LiCoPO4 , and Li2MMn3O8 , where M is selected from Fe, Co, and combinations thereof.
前記カソードが、ナトリウム含有カソード材料から選択される材料を含む、請求項28
に記載の機器。
29. The cathode comprises a material selected from sodium-containing cathode materials.
Equipment described in .
前記ナトリウム含有カソード材料が、Na、P2-Na2/3Fe1/2
1/2、Na(PO、NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO
およびNa2/3Fe1/2Mn1/2@グラフェン複合材から成る群から選択され
る、請求項27に記載の機器。
The sodium-containing cathode material is Na 2 V 2 O 5 , P2—Na 2/3 Fe 1/2 M
n1 /2O2 , Na3V2 ( PO4 ) 3 , NaMn1 / 3Co1/ 3Ni1 / 3PO4 ,
and Na2 / 3Fe1/ 2Mn1/ 2O2 @graphene composites.
前記カソードが、ドープマグネシウム酸化物から成る群から選択される材料を含む、請
求項35に記載の機器。
36. The device of claim 35, wherein said cathode comprises a material selected from the group consisting of doped magnesium oxide.
前記アノードが、シリコン含有材料、スズおよびその合金、スズ/炭素、ならびにリン
から成る群から選択される材料を含む、請求項24に記載の機器。
25. The device of claim 24, wherein the anode comprises a material selected from the group consisting of silicon-containing materials, tin and its alloys, tin/carbon, and phosphorous.
前記アノードが、リチウムイオン伝導性アノード材料から成る群から選択される材料を
含む、請求項24に記載の機器。
25. The device of claim 24, wherein said anode comprises a material selected from the group consisting of lithium ion conductive anode materials.
前記リチウムイオン伝導性アノード材料が、炭化リチウム、LiC、およびチタン酸
リチウム(LTO)から成る群から選択されるリチウム含有材料である、請求項38に記
載の機器。
39. The device of claim 38, wherein the lithium ion conductive anode material is a lithium-containing material selected from the group consisting of lithium carbide, Li6C , and lithium titanate (LTO).
前記アノードが、リチウム金属である、請求項38に記載の機器。 39. The device of claim 38, wherein said anode is lithium metal. 前記アノードが、ナトリウムイオン伝導性アノード材料から選択される材料を含む、請
求項24に記載の機器。
25. The device of claim 24, wherein the anode comprises a material selected from sodium ion conducting anode materials.
前記ナトリウム含有アノード材料が、NaおよびNa0.66Li0.
22Ti0.78から成る群から選択される、請求項41に記載の機器。
The sodium- containing anode material comprises Na2C8H4O4 and Na0.66Li0 .
42. The device of claim 41 selected from the group consisting of22Ti0.78O2 .
前記アノードが、ナトリウム金属である、請求項41に記載の機器。 42. The device of claim 41, wherein the anode is sodium metal. 前記アノードが、マグネシウム含有アノード材料である、請求項24に記載の機器。 25. The device of Claim 24, wherein the anode is a magnesium-containing anode material. 前記アノードが、マグネシウム金属である、請求項44に記載の機器。 45. The device of claim 44, wherein the anode is magnesium metal. 前記ハイブリッド電極、カソード、アノード、および任意選択としての前記集電体が、
セルを形成し、前記電池が、複数の前記セルを備え、前記セルの各隣接対が、バイポーラ
板により分離された、請求項24に記載の機器。
said hybrid electrode, cathode, anode, and optionally said current collector comprising:
25. The apparatus of claim 24, forming cells, said battery comprising a plurality of said cells, each adjacent pair of said cells separated by a bipolar plate.
液体電解質を備えた従来のイオン伝導性電池であり、前記電池が、無機SSEまたは固
体ハイブリッド電解質および液体電解質を備え、前記液体電解質が、前記固体ハイブリッ
ド電解質の一部として存在せず、
前記無機SSE材料または前記固体ハイブリッド電解質が、前記従来の電池のセパレー
タである、請求項23に記載の機器。
1. A conventional ion-conducting battery with a liquid electrolyte, said battery comprising an inorganic SSE or a solid hybrid electrolyte and a liquid electrolyte, said liquid electrolyte not being present as part of said solid hybrid electrolyte,
24. The device of claim 23, wherein said inorganic SSE material or said solid state hybrid electrolyte is the separator of said conventional battery.
前記無機SSEが、F/S SSEである、請求項47に記載の機器。 48. The device of claim 47, wherein said inorganic SSE is a F/S SSE. 固体ハイブリッド電解質を作製する方法であって、
テンプレートを1つまたは複数のSSE材料前駆体と接触させることと、
任意選択として、前記SSE材料前駆体を反応させることと、
前記テンプレートを前記固体無機材料で熱処理することであり、前記テンプレートが除
去され、前記無機SSEが形成される、ことと、
前記焼成テンプレートをポリマー材料と接触させることと、
を含み、
固体ハイブリッド電解質が形成される、方法。
A method of making a solid state hybrid electrolyte, comprising:
contacting the template with one or more SSE material precursors;
optionally reacting the SSE material precursor;
heat treating the template with the solid inorganic material to remove the template and form the inorganic SSE;
contacting the fired template with a polymeric material;
including
A method wherein a solid state hybrid electrolyte is formed.
前記SSE材料が、ゾルゲル前駆体または金属塩である、請求項47に記載の方法。 48. The method of claim 47, wherein the SSE material is a sol-gel precursor or metal salt. 前記テンプレートが、炭素テンプレートまたは生体材料テンプレートである、請求項4
7または48に記載の方法。
5. The template is a carbon template or a biomaterial template.
7 or 48.
前記炭素テンプレートが、繊維テンプレートである、請求項51に記載の方法。 52. The method of claim 51, wherein the carbon template is a fiber template. 前記生体材料テンプレートが、木材テンプレートまたは植物テンプレートである、請求
項51に記載の方法。
52. The method of claim 51, wherein the biomaterial template is a wood template or a plant template.
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