Ion Conductivity in All-Solid-State Thin-Film Lithium Batteries

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H03864
• Research Institution: Nippon Institute of Technology
• Principal Investigator: 白木 将 日本工業大学, 基幹工学部, 教授 (80342799)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: リチウム２次電池 / エピタキシャル薄膜 / パルスレーザー堆積法

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、全固体電池の電極/電解質界面の界面抵抗に着目し、電池材料の薄膜合成とその評価を目的とする。本年度は、全真空プロセスによる薄膜型全固体電池作製・評価システムを構築した。本システムは、電動型の試料搬送室を中心に、パルスレーザー堆積法（PLD）、スパッタリング法、真空蒸着法による成膜室、マルチナノプローバーを備えた電気化学評価室およびグローブボックスが取り囲むクラスター型の構成となっている。本システムの特徴として次の3点が挙げられる。
(1)全真空プロセス：グローブボックスを除くすべてのチャンバーが超高真空環境で接続されており、試料の作製から評価まで一度も大気に触れずに行うことが可能である。界面形成時に不純物の混入がないため、理想的な清浄界面を形成できる。
(2)クラスター型：工場で採用されているインライン型の生産・評価システムに比べ、省スペースである。また、合成手順の可変性が高い。
(3)全自動（電動型搬送システム）：全固体電池の作製から評価までを高速に行うことができる。高い再現性と信頼性を維持した実験が可能である。
また、成膜条件によって薄膜の成長速度が変化することから、薄膜の厚みを計測できる表面微細形状側的を導入した。
以上のシステムを用いて、本年度は、ニッケルマンガン酸リチウム（5V級正極）、リン酸リチウム（固体電解質）、チタン酸リチウム（負極）、金属リチウム（負極）の各薄膜の作製に取り組んだ。例えばニッケルマンガン酸リチウムでは、チタン酸ストロンチウム単結晶基板上にRFスパッタ法を用いて成膜すると、成膜後の低温200度アニールによってエピタキシャル薄膜を合成できることを見出した。成膜後のアニール処理により、固相成長が進行し、準安定な構造からエピタキシャル相への構造変化が生じたと考えられる。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Atomically Well-Ordered Structure at Solid Electrolyte and Electrode Interface Reduces the Interfacial Resistance (2018)
  • Author(s): S. Shiraki, T. Shirasawa, T. Suzuki, H. Kawasoko, R. Shimizu, T. Hitosugi
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 10 Pages: 41732-41737
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.8b08926
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of a surface TiO2 atomic sheet on the electronic transport properties of LaAlO3/SrTiO3 heterointerfaces (2018)
  • Author(s): T. Ohsawa, M. Saito, R. Shimizu, K. Iwaya, S. Shiraki, Y. Ikuhara, T. Hitosugi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 113 Pages: 141602, 1-4
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5046876
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extremely low resistance of Li3PO4 electrolyte/Li(Ni0.5Mn1.5)O4 electrode interfaces (2018)
  • Author(s): H. Kawasoko, S. Shiraki, T. Suzuki, R. Shimizu, T. Hitosugi
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 10 Pages: 27498-27502
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.8b08506
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On the Use of 31Mg for b-Detected NMR Studies of Solids (2018)
  • Author(s): R. M. L. McFadden, A. Chatzichristos, M. H. Dehn, D. Fujimoto, H. Funakubo, A. Gottberg, T. Hitosugi, V. L. Karner, R. F. Kiefl, M. Kurokawa, J. Lassen, C. D. Philip Levy, R. Li, G. D. Morris, M. R. Pearson, S. Shiraki, M. Stachura, J. Sugiyama, D. M. Szunyogh, W. A. MacFarlane
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 21 Pages: 011407, 1-7
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSCP.21.011047
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Challenge for Detecting the Interface between Electrode and Electrolyte with b-NMR (2018)
  • Author(s): J. Sugiyama, I. Umegaki, S. Shiraki, T. Hitosugi, R. M. L. McFadden, D. Wang, V. Karner, G. D. Morris, W. A. MacFarlane, R. F. Kiefl
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 21 Pages: 011021, 1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSCP.21.011021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] LE-m+SR Study of Superconductivity in the Thin Film Battery Material LiTi2O4 (2018)
  • Author(s): M. Månsson, O.K. Forslund, H. Nozaki, I. Umegaki, S. Shiraki, T. Hitosugi, T. Prokscha, Z. Salman, A. Suter, Y. Sassa, J. Sugiyama
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 21 Pages: 011025, 1-5
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSCP.21.011025
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Li-diffusion in spinel Li[Ni1/2Mn3/2]O4 powder and film studied with m+SR (2018)
  • Author(s): J. Sugiyama, H. Nozaki, I. Umegaki, K. Mukai, S. Cottrell, S. Shiraki, T. Hitosugi, Y. Sassa, A. Suter, Z. Salman, T. Prokscha, M. Mansson
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 21 Pages: 011015, 1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSCP.21.011015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 全固体電池実用化に向けた大学での取組み (2018)
  • Author(s): 白木将
  • Organizer: とちぎ環境産業振興協議会・環境負荷低減技術研究部会
  • Invited
• [Presentation] 薄膜型全固体電池の作製とそのin-situ電気化学特性評価 (2018)
  • Author(s): 白木将
  • Organizer: 2018年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] Fabrication and In-Situ Characterization of All-Solid-State Thin-Film Batteries (2018)
  • Author(s): S. Shiraki
  • Organizer: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全固体薄膜電池作製・in-situ評価装置の構築 (2018)
  • Author(s): 白木将
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Electrochemical Properties of Li4Ti5O12 and LiTi2O4 Epitaxial Thin Films (2018)
  • Author(s): S. Shiraki, Y. Takagi, R. Shimizu, T. Hitosugi
  • Organizer: 2018 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 真空・薄膜技術を活用した全固体リチウム電池研究 (2018)
  • Author(s): 白木将
  • Organizer: 表面技術協会・表面技術とものづくり研究部会例会
  • Invited
• [Presentation] Fabrication and in-situ characterization of well-defined solid electrolyte/electrode interfaces in thin-film lithium batteries (2018)
  • Author(s): S. Shiraki
  • Organizer: The 3rd International Symposium on "Recent Trends in the Elucidation and Function Discovery of Next Generation Functional Materials of Surface / Interface Properties"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 薄膜型全固体電池作製・in-situ評価装置の構築 (2018)
  • Author(s): 白木将
  • Organizer: 平成30年度日本表面真空学会 九州支部学術講演会
• [Book] 全固体電池の基礎理論と開発最前線 (2018)
  • Author(s): 白木将、一杉太郎
  • Total Pages: 271
  • Publisher: シーエムシー・リサーチ
  • ISBN: 978-4-904482-51-3
• [Remarks] 日本工業大学応用化学科固体電気化学研究室
  • URL: http://enjoy1.bb-east.ne.jp/~shiraki/
• [Remarks] 日本工業大学ブランディング事業「次世代動力源としての全固体電池技術の開発と応用」
  • URL: https://www.nit.ac.jp/education-research/branding.html
• [Remarks] 東工大、産業技術総合研究所、科学技術振興機構との共同研究により、全固体電池実現のネックを解明
  • URL: https://www.nit.ac.jp/topics/link/pdf_452.pdf
• [Remarks] 東工大、東北大との共同研究により、全固体電池で超高速充放電を実現
  • URL: https://www.nit.ac.jp/topics/link/pdf_407.pdf