界面ポテンシャル制御による高性能酸化物系全固体電池の実現
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21H01625
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
寺西 貴志 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (90598690)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中山 将伸 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10401530)
三村 憲一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20709555)
近藤 真矢 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 助教 (20890205)
岸本 昭 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (30211874)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 酸化物系全固体電池 / 界面制御層 / 界面抵抗 / 誘電体界面 / 出力特性 / 電気化学ポテンシャル / Li化学ポテンシャル / リチウムイオン / 酸化物系全個体電池 / 誘電体 |
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| Outline of Research at the Start |
酸化物系全固体リチウムイオン電池の社会実装に向けた最大の課題は，電極－固体電解質界面の巨大な電荷移動抵抗である．電荷移動抵抗は，2つの内因的因子(界面局所電場，化学ポテンシャル)，すなわち電気化学ポテンシャルと，2つの外因的因子(相互拡散層，物理空隙)が決定する．本研究は，固体界面の局所的な電気化学ポテンシャルを精密に変調しうる「界面制御層」を新たに提案する．具体的には，界面制御層の材料パラメータ(比誘電率，Li濃度)が界面電気化学ポテンシャルや界面電荷移動抵抗とどのような関係にあるかを明らかにし，これらのパラメータを最適化することで，酸化物固体界面における高速電荷移動を実現する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，酸化物系全固体リチウムイオン電池(全固体LIB)における電極―電解質固体界面の電気化学ポテンシャルを変調させる「界面制御層」を介した新しい高速電荷移動機構を提案することを目的とした．界面制御層として，有機電解液系リチウムイオン電池(液系LIB)で実績のある誘電体BaTiO3(BTO)を用いた．全固体電池構造としては，室温動作可能な，電解質(SE)に電極合材を塗布させて作製するSE支持型電池を最終的に採用した．正極にLiCoO2(LCO)，SEにガーネット型Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12(LLZT)基板を用いた．
全固体電池において界面制御層の効果を検証するためには，Liの電荷移動パスであるSE―界面制御層―電極の三相界面を作り出す必要があった．粉末を用いるSE支持型電池において，十分な電池特性を得るには，可塑剤としてLi3BO3(LBO)を添加する必要があった．しかしLBOが固体粉末界面に介在し，狙いとした三相界面構造を形成することができなかった．そこで，予めBTOナノ粒子を担持したLLZT基板上にPLD法によりLCO膜を成膜した．しかし，作製した上記いずれの電池においても，BTO導入による電池出力改善は確認できなかった．
液系LIBの電解液中でLi+は溶媒和状態にあり，負電荷を帯びた溶媒分子は，同じ負に帯電したLCO表面との間に静電斥力が働く．一方，絶縁性のBTO表面と溶媒和Li+の間では，正負イオン間の静電引力が生じ，吸着活性が向上する．これに対し全固体LIBでは，Li+は単体イオンとして移動し，正電荷のLi+は絶縁性のBTO表面よりも負電荷を帯びたLCO表面に強く引き付けられる．実際，DFT-MDより，LLZ中の拡散より，BTO/LLZ界面の電荷移動速度は相当遅いことが分かった．今後， Li+の吸着活性を高めうるBT系以外の界面制御層の探索を行う．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(27 results)
