Fabrication for Oxide-based All-solid-state Batteries at Low Temperature and Short Processing Time Using Cold Sintering
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22K18793
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
稲田 亮史 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30345954)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
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| Keywords | コールドシンタリング / 全固体電池 / 酸化物 / 固体電解質 / 電極複合体 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，コールドシンタリング（CS）法の酸化物全固体電池の低温・高速作製プロセスとしての可能性を探求し，加熱温度200～400℃，短時間での電極－固体電解質積層一括成型の実現に挑戦する。プロセス温度の低減は，電極活物質／酸化物固体電解質間の副反応抑制に大きく寄与すると期待されるが，これらの異種材料をCS法で一括成型する条件は現時点で殆ど明らかとなっていない。このため，①高いイオン伝導率を持つ固体電解質材料の緻密成型条件の確立，②①で選別された固体電解質－電極活物質複合体緻密成型，③各検討結果を踏まえた電極複合体―固体電解質積層体の一括成型，と課題を設定し，ボトムアップ的に目標達成を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，コールドシンタリング（Cold Sintering, CS）法の酸化物全固体電池の低温・高速作製プロセスとしての適用可能性を探求し，加熱温度200～300℃・短時間での電極－固体電解質積層一括成型の実現に挑戦する。2023年度は，前年度から継続して固体電解質単体にCS法を適用し高密度成型を行い，得られた成型試料の構造解析とイオン伝導特性評価に注力した。また，リチウムイオン電池用正極との複合化に向けた事前検討として，固体電解質との共焼成時の反応性を評価した。
固体電解質材料としてLi1.3Al0.7Ti1.7(PO4)3(LATP)を用いた。1000℃で焼結した試料は0.2 mS/cmの室温伝導率を示した。LATP粉末と脱イオン水を所定の重量比で混錬した後，400～600MPaの一軸加圧下で200～250℃でCSを行った結果，250℃，600MPaの条件で成型した際に見かけの充填率が85～90%程度の緻密成形体が得られた。一方，電子顕微鏡を用いた組織観察の結果，LATP粒子の周辺に微細な析出物が観察された。X線回折結果からも，微量の異相由来のピークが検出され，これにより粒子間接合と密度向上が達成されていると示唆された。インピーダンス測定により，CS法で成型した試料のイオン伝導率を評価した結果，通常焼結体には及ばないが，室温下で0.02 mS/cmの伝導率を得た。また，CS時に使用する溶媒をLiOH水溶液に変更した結果，特定のLiOH濃度において，成型密度の向上と室温伝導率の向上（0.04 mS/cm）を確認した。
LATP粉末の正極材料との反応性評価において，LiCoO2正極は350℃程度，LiFePO4正極は550℃程度までは顕著な反応は生じず，CSで用いる成型温度での材料間反応は殆どないことを確認した
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2023年度の研究において，LATP固体電解質に対してCS法を適用し，緻密成型体を作製するための作製条件とイオン伝導特性に関する初期性能を得ることができたが，成型試料のイオン伝導率に関して当初目標（室温下にて0.1 mS/cm以上）の達成には至ってはいない。また，正極材料と固体電解質との複合体作製に向けた予備検討を行い，両者の共焼成時の反応性に関する知見は得たが，CS法による複合体作製の試行には至らなかった。
以上より，現在までの進捗状況を若干遅れていると評価した。現段階での進捗状況を整理して，次年度以降の研究計画に反映する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
①CS法による電極活物質－固体電解質複合体の高密度成型・特性評価（2023年度）
代表的なリチウムイオン電池用電極活物質（LiCoO2, LiFePO4等）と，2022～2023年度に成形条件を検討してきた酸化物固体電解質を用いて，CS法による電極活物質－固体電解質複合体シートの高密度成型を行い，微細構造及び電気伝導特性（電子伝導特性およびイオン伝導特性）を評価する。得られた結果に基づき，複合体シートの電気伝導特性向上に適した条件（電極活物質／固体電解質の組み合わせ及び配合比，加圧条件，成型温度，等）を明らかにする。また，得られた複合体シートの充放電特性を有機電解液中で評価し，複合体に含まれる電極活物質の性能が引き出せるかどうかを検証する。
②CS法による電極複合体―固体電解質積層体の高密度成型・特性評価
①の結果を踏まえて，CS法による電極複合体－固体電解質積層体の一括成型を試みる。各層で個別に適正化された成型条件を基盤とし，一括成型に適した条件を探索する。得られた積層体の固体電解質端面に対極となる金属リチウムを圧接（必要に応じてポリマー電解質を保護層として両者の界面に導入）し，室温～80℃の範囲で電流密度を変化させつつ充放電特性を評価する。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
