Study on mechanism of the high-rate capability of electrode which forms electrolyte during electrochemical reaction.

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 22H04621
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 猪石 篤 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (10713448)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 全固体電池 / 水素化物 / その場形成固体電解質 / 固体電解質その場形成負極 / 負極

Outline of Research at the Start

MgH2を活物質とすることで、電極合材中に固体電解質の粉末を含有しなくても充放電が進行することを見出した。生成するLiHのイオン伝導性はそれほど高くないものの、そこをリチウムイオンが伝導して速充放電が可能という結果が得られている。本研究では、充放電時の電極合材中のLiHやMg、炭素の粒子同士の「界面」について、電気化学的手法やその他の解析技術によって評価を行うことで「その場形成固体電解質」を利用した高速充放電機構の原理解明を行う。

Outline of Annual Research Achievements

これまでMgH2を活物質とすることで、電極合材中に固体電解質の粉末を含有しなくても充放電が進行することを見出していた。生成するLiHのイオン伝導性はそれほど高くないものの、そこをリチウムイオンが伝導して充放電が可能という結果が得られている。これを「固体電解質その場形成負極」として、全固体電池への適用を検討している。固体電解質その場形成負極のメリットとして、電極合材内の活物質充填量の増加（エネルギー密度向上）、混合均一性の向上、コンバージョン反応の進行しやすさの理解の進展といったことが挙げられる。本研究では、充放電時の電極合材中のLiHやMg、炭素の粒子同士の「界面」について、電気化学的手法やその他の解析技術によって評価を行うことで「その場形成固体電解質」を利用した高速充放電機構の原理解明を行った。本年度は、電極のXPS測定を実施し、MgH2へのリチウム挿入過程では、電解質（セパレーター）側から集電体方向に進むのに対し、その後の脱リチウム過程では集電体側から電解質（セパレーター）側に向かって進行することが明らかとなった。これが電極反応の可逆性の高さを担保していると考えられる。また、TIH2のような電子伝導性の良い活物質ではコンバージョン反応でありながら導電助剤や固体電解質を合材に含まなくても反応が進行し、Cs(BH4)2のようなイオン導電率の高い固体電解質がその場形成する活物質では電極厚みを厚くしても高い利用率で利用できることが分かった。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Glasgow(英国)
• [Int'l Joint Research] 台湾/國立陽明交通大學(その他の国・地域)
• [Journal Article] <i>In situ</i> Electrolyte Design: Understanding the Prospects and Limitations of a High Capacity Ca(BH₄)₂ Anode for All Solid State Batteries (2024)
  • Author(s): Chen Yixin、Sakamoto Ryo、Inoishi Atsushi、Okada Shigeto、Sakaebe Hikari、Albrecht Ken、Gregory Duncan H.
  • Journal Title: Batteries & Supercaps Volume: 7 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/batt.202300550
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TiH2-based anode: In situ formation of solid electrolyte for high volumetric energy density with minimal content of conducting agent (2024)
  • Author(s): Chen Yixin、Inoishi Atsushi、Okada Shigeto、Sakaebe Hikari、Albrecht Ken
  • Journal Title: Journal of Energy Storage Volume: 86 Pages: 111286-111286
  • DOI: 10.1016/j.est.2024.111286
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electrode thickness dependence of charge?discharge performance and reaction distribution of an in-situ-formed solid electrolyte for MgH2 anodes (2024)
  • Author(s): Chen Yixin、Inoishi Atsushi、Yoshii Kazuki、Sato Hiroki、Okada Shigeto、Sakaebe Hikari、Albrecht Ken
  • Journal Title: Electrochimica Acta Volume: 485 Pages: 144083-144083
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2024.144083
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] TiH2を利用した高体積エネルギー密度水素化物負極の構築 (2023)
  • Author(s): 陳 伊新、猪石 篤、岡田 重人、アルブレヒト 建、栄部 比夏里
  • Organizer: 第64回電池討論会
• [Presentation] Large-capacity All-solid-state Lithium Batteries by in-situ Formation of Hydride-type Li+ ion Conductor (2022)
  • Author(s): Atsushi Inoishi, Yixin Chen, Ryo Sakamoto, Ken Albrecht, Shigeto Okada, Hikari Sakaebe
  • Organizer: 17th Asian Conference on Solid State Ionics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体電解質を自己生成するハロゲン化マグネシウム負極を用いた全固体リチウム電池の大容量化 (2022)
  • Author(s): 猪石篤、陶山美幸、陳伊新、坂本遼、アルブレヒト建、岡田重人、栄部比夏里
  • Organizer: 第63回電池討論会
• [Presentation] XAFSを利用した革新電池の研究開発 (2022)
  • Author(s): 猪石篤
  • Organizer: 第25回 XAFS討論会
  • Invited
• [Remarks] Professor Jeng-Kuei Chang 研究室HP
  • URL: https://sites.google.com/view/jkclab/home?authuser=0