2018 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of migration process of lithium ions in all-solid-state lithium ion secondary batteries during charging and discharging
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17K06846
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
土屋 文 名城大学, 理工学部, 教授 (90302215)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | リチウム酸化物 / リチウムイオン二次電池 / リチウムイオン移動機構 / 飛行時間型反跳粒子法 / リチウム蓄積量その場測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
パルスレーザー堆積法およびマグネトロンスパッタリング法による蒸着装置を用いて、約65 nmのLiCoO2薄膜を正極、約150 μmのLi+イオン伝導性酸化物(LATP)を固体電解質、約24 nmのAu薄膜および約16 nmのPt薄膜を正極およびLATP側のそれぞれの電極とした全固体のLi+イオン二次電池(Au/LiCoO2/LATP/Pt)試料を作製した。室温および真空雰囲気において、作製した試料に1.8 Vの電圧を15分間印加して平衡状態に達することを確認した後、タンデム加速器からの20 MeVのCu12+イオンビームを用いた飛行時間型反跳粒子検出(TOF-ERD)法によって、Li+イオン二次電池試料中の構成元素およびLi濃度分布をその場で計測した。1.8 Vの電圧印加前後のLi濃度を比較した結果、LiCoO2正極のLi濃度は電圧を印加することで約50％程度(Li0.5CoO2)まで減少することがわかった。これは正極中のLi+イオンがLATP固体電解質とPt電極間に形成される負極(LiXTY(PO4)3)へ駆動されることを示しており、充電時におけるLi+イオン二次電池中のLi+イオン移動量を定量的に評価することを可能とした。移動したLi+イオンは、 LiXTY(PO4)3中の層間に蓄積されていると考えられる。TOF-ERD法によって評価されたLi+イオン移動量は、約1.809x1016 個であり、1.8 Vの電圧を15分間印加した際の電気伝導度計測から評価したLi+イオン移動量(約2.602x1016 個)より僅かに小さいことがわかった。この定量評価から、Li+イオンが負極へ移動した後、層間に蓄積されずに正極に戻っている可能性があることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成29年度に作製した全固体リチウムイオン二次電池、試料ホルダーおよび改良したToF-ERD用超高真空装置を用いて、室温において全固体リチウムイオン二次電池に1.8 Vの電圧を15分間印加した後、LiCoO2正極からLATP固体電解質内に形成されたその場LixTiy(PO4)3負極への電位勾配により駆動されて流されるリチウムイオンの流量をその場で測定することを可能とした。さらに、その場測定と同時に、既存の直流電気抵抗および交流インピーダンス測定装置を用いて、各条件におけるリチウムイオン二次電池のリチウムイオン伝導度を測定することも可能とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29および30年度に作製した全固体リチウムイオン二次電池および試料ホルダー、ToF-ERD法を利用したLi濃度その場測定装置および手法を用いて、充電時の場合、LiCoO2正極からLATP固体電解質内に形成されたその場LixTiy(PO4)3負極への電位勾配により駆動されて流されるリチウムイオンの流量を加熱温度(25～150℃)および電圧(±3.5 V)をパラメータとして測定する。次に、放電時の負電極から正電極への化学ポテンシャルの差によって流されるリチウムイオンの流量を測定する。さらに、第一原理計算により、正極のLiCoO2や負極のLixTiy(PO4)3内のリチウムの占有位置およびリチウムイオンの移動軌跡を調べ、ToF-ERD法によって得られた実験データを評価する。
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| Causes of Carryover |
平成30年度の全固体リチウムイオン二次電池作製およびリチウム濃度分布測定において、予算を執行すること無しに既存の装置をある程度そのままの状態で利用して研究を遂行することができた。次年度は、正極のLiCoO2や負極のLixTiy(PO4)3内のリチウムの占有位置およびリチウムイオンの移動軌跡を調べるために第一原理VASP計算コードの権利を獲得する予定である。また、全固体リチウムイオン二次電池を真空中で加熱したり、負極へ移動したリチウムイオン濃度を計測するための試料ホルダーの改良、リチウムイオン二次電池試料中に吸収された水素濃度を測定するためのガスクロマトグラフィー装置を購入する予定である。
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Research Products
(6 results)
