2019 Fiscal Year Annual Research Report
誘電体ナノ分極界面を利用した超高出力全固体リチウム二次電池の実現
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18H01707
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
寺西 貴志 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (90598690)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中山 将伸 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10401530)
秋本 順二 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究チーム長 (20356348)
岸本 昭 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (30211874)
安井 伸太郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40616687)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 全固体電池 / 誘電体界面 / 急速充放電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は全固体リチウムイオン二次電池の活物質－固体電解質層間に，誘電体ナノ分極界面を導入することで空間電荷層中のLi移動を促進し，キャパシタ並みの出力特性，すなわち秒単位での超急速充放電の実現を目指している．我々はこれまで従来の有機電解液系リチウムイオン電池において，誘電分極が活物質－電解液界面のLi電荷移動抵抗を顕著に軽減させることを実証してきたが，本知見を全固体電池に応用展開させたものである．
昨年度までに，疑似全固体電池および硫化物系全固体電池において，BaTiO3(BTO)系誘電体界面がセル特性を一定程度改善することが分かった．本年度は，バルク型酸化物全固体電池において誘電体界面の効果を検証した．正極複合粉末にはBTOを1～10mol%担持させたLiCoO2とした．電解質にはLLZT，負極にIn合金を用いた。電池の構造は電解質支持型とした．比較的低温にて熱処理を行い，電解質―電極間の界面形成を行った．続いて全固体電池の評価を室温にて行った．電流レート0.1C(1C=160mA/g)において，未処理LCOにおいては70mAh/g程度の電池容量が得られたが，一方，BTO担持試料においてはいずれの担持量においても同レートにおいて50mAh/g程度と容量は減少した．今回作製した全固体電池の構造においては，界面電荷移動抵抗が律速抵抗となっていない可能性や，電解質から活物質へ直接的にLi界面移動が生じ，BTO表面を介した電荷移動機構となっていない可能性等が示唆された．今後，これらの検証が必要である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度，酸化物型全固体電池において誘電体界面の効果検証を行ったが，今回検討した電池作製条件においては誘電体界面の期待した効果は得られなかった．誘電体の効果が得られた場合，続いて誘電体界面が寄与する電池素反応の特定に進む予定であったが，そこまでは至っていない．顕著に誘電体界面の効果が得られなかった原因の１つとして，界面における電荷移動過程において，誘電体BTOを経由した電荷移動機構となっていないことが考えられる．今後の研究の推進方策で記載するように，第一原理計算・分子動力学シミュレーションを用いた計算科学的手法により，各電池素反応の活性化エネルギーの見積りと，誘電体界面を介したLi電荷移動経路の特定を行っていく必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度，バルク型酸化物全固体電池において誘電体界面の顕著な効果は確認されなかった．今後は，第一原理計算・分子動力学シミュレーションを用いた計算科学的手法により，各電池素反応の活性化エネルギーの見積りや，誘電体界面が介する電荷移動経路の特定を行う予定である．
全固体リチウムイオン電池の電解質―活物質界面近傍においては，主として4つの素反応が考えられる．すなわち，(i)固体電解質中のLi拡散，(ii)界面空間電荷層のLi移動，(iii)活物質表面でのインターカレーション起点サイトへのLi移動，(iv)活物質内部におけるLi拡散である．通常のインピーダンス測定では切り分けることが難しい時定数の近い素反応，すなわち(ii)，(iii)における活性化エネルギーをそれぞれ計算する．BTOの有無において，上記解析を行い，誘電体を含む活物質―電解質界面近傍において，どのようなLi移動経路が存在しうるのか仮説を立てる．続いて，立てた仮説を元に，再度誘電体界面の効果が得られるような活物質―誘電体複合構造を決定し，作製する．構造最適化と電池評価による実験的検証を行う．
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Research Products
(8 results)
