二次電池の電極/電解液界面におけるイオン輸送現象の解析

• Project/Area Number: 22K05306
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 内田 悟史 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40725420)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉井 一記 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80735960) ; 福間 早紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (50964128)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 電極/電解液界面 / SEI膜 / インピーダンス

Outline of Research at the Start

Li-ion電池に代表される液系二次電池において、電極/電解液界面のイオン輸送過程は充放電速度を律する過程の一つであり、その速度は[1]界面におけるイオンの脱配位過程、または[2]電解液の酸化・還元分解によって形成する界面皮膜（以下、SEI膜）をイオンが通過する過程によって決定されると考えられている。しかし、これらの影響を明確に切り分けることに成功した研究例は提案者らの知る限り存在しない。本研究では電極/電解液界面のイオン輸送特性に対する[1],[2]の影響を分離して定量的に評価するための実験手法を提案すると共に、得られた知見を広く公開する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、SEI膜形成電位よりも高い反応電位を有するLi4Ti5O12（LTO）を用い、SEI膜を持たないLTO電極とSEI膜を持つLTO電極を作り分けて交流インピーダンス測定を行うことにより、RdesolvとRSEIそれぞれを定量的に評価し、さらにX線光電子分光測定の結果と突き合わせることで、曖昧に議論されてきたSEI膜の化学組成とRSEIの関係の本質に切り込み、二次電池の電極/電解液界面におけるイオン輸送のサイエンスを解き明かすことである。
本研究は2022-2024年度の3年間で完遂する計画であり、初年度は対極のLi金属の影響を受けることなく、LTO単極のみのインピーダンスデータを得ることが可能な対称セルを構築した。代表者が予め設計・開発した非破壊対称セルを用いて測定を繰り返し、実験者のハンドリングの影響がなく、再現性に非常に優れたLTO単極のインピーダンスデータが取得可能であることを確認できた。また、LTO電極を用いた非破壊対称セルにおいて、LTO電極を通常の作動電位範囲である1.4-2.0 V (vs. Li/Li+)で作動させる、または、一度だけSEI形成電位以下である0.3 V (vs. Li/Li+)までの放電履歴を持たせてから通常電位範囲内で作動させることにより、SEI膜を持たないLTO電極とSEI膜を持つLTO電極を作り分けることに成功し、各電極の単極のインピーダンス挙動を取得することができた。解析はこれから行う予定だが、Nyquistプロットの形状からRdesolvとRSEIが十分に周波数分離可能な状況であることが示唆されている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究で最も難しいと予想していたのは対称セルを用いたLTO電極の単極インピーダンスデータを優れた再現性で得ることであるが、代表者が設計・開発した非破壊対称セルを一切の設計変更・改造等を行うことなく本研究に使用できたため、当初の計画通りのスムーズなデータ取得が可能となっている。

Strategy for Future Research Activity

2023年度の上半期は、2022年度に取得できたSEI膜を持たないLTO電極とSEI膜を持つLTO電極それぞれの単極のインピーダンスデータに対する等価回路を構築して解析することで、RdesolvとRSEIを定量的に評価する。SEI膜の形成により、RSEIが増加するだけなのか、またはRdesolvにまで影響を及ぼすのかを明らかにする。また、SEI形成剤として商用LIBに用いられる電解液添加剤を加えた状態でLTO単極のインピーダンスを取得し、上記の解析を行う。下半期は、種々の添加剤によって形成されたSEI膜の組成をXPS測定で明らかにし、さらにインピーダンスの解析結果と突き合わせることで、SEI膜の化学組成とRSEIの関係について議論を進める。