2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a novel synthesis process for next-generation Lithium-ion battery
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18H01769
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
綿野 哲 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40240535)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
仲村 英也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00584426)
大崎 修司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40802426)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 全固体リチウムイオン２次電池 / 液相合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ナノサイズ固体電解質の液相合成、および活物質と固体電解質の液相複合化に焦点を当て、各工程におけるカギとなる物理化学現象を解明すると共に、複合粒子材料の新規合成プロセスを構築する。2019年度の研究実績は以下の通りである。
液相加振法による固体電解質（LPS）粒子のサイズ制御には原料であるLi2Sのサイズ制御が鍵となる。本年度は、粉砕法のみでなく、分級、貧溶媒析出法や蒸発法を用いて、異なるサイズのLi2S粒子を調製した。その結果、分級と貧溶媒析出法では、原料Li2Sの微細化を達成できなかったものの、蒸発法を用いることで、100 nm以下のLi2S粒子を得ることに成功した。得られたナノサイズLi2Sを用いてLPS合成を行ったところ、得られるLPSの粒子サイズは100 nm程度となることを見出した。なお、XRDとラマン分光法の測定結果から、得られた粒子はLPSの結晶構造を有していた。さらに、交流インピーダンス測定結果から、ナノサイズLPSは従来法で得られるLPS（数μm程度）と同等の導電性を示すことを明らかにした。
活物質粒子を固体電解質でコーティングする工程を湿式で行う新しいプロセスを考案した。具体的には固体電解質原料(Li2S)を正極活物質粒子表面に予めコーティングした粒子から出発して、被覆層のLi2Sを液相中の反応で固体電解質Li3PS4とした。このプロセスの液相反応過程に焦点を当て、影響因子を明らかにする基礎検討を行った。その結果、機械的外力を加えることなく、LPSを活物質表面に固体化することに成功した。また、Li2Sと溶液との接触面積がLi3PS4の液相合成における反応速度に影響する重要因子であることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
蒸発法を用いることで、Li2Sの微細化に成功した。さらに、微細Li2Sを用いてLPS合成を行ったところ、100 nm程度のLPSナノ粒子合成が可能であることを見出した。ナノサイズLPS粒子の合成例は報告されておらず、世界初の成果といえる。また、ナノサイズLPS粒子の合成には、蒸発法によるLi2S合成過程が重要であるという結果も得ており、これは次年度研究を遂行する上で重要な知見である。以上の成果は、目標達成へと直結する重要なものであり、おおむね順調に進展しているといえる。
また、原料の一部であるLi2Sを予め乾式コーティングした粒子から出発することで、液相中において機械的外力を加えることなく比較的マイルドな条件で複合化することに成功した。これにより、全固体電池において重要となる固固接触界面を、ダメージを与えることなく構築できる。これは液相複合化において重要な成果であり、順調に進捗しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、汎用性の高い合成プロセスへと拡張を目指す。ナノサイズLPS合成には10時間程度必要であるのが現状である。そこで、蒸発法による微細Li2S合成過程および液相加振法によるLPS合成過程において、操作条件や合成時間がLPS粒子合成プロセスに与える影響を検討する。得られた結果を基に、プロセスの最適化を行い短時間でのナノサイズLPS粒子合成を試みる。また，構築したプロセスをLPSよりも100倍の導電率を示す超イオン伝導固体電解質Li10GeP2S12(LGPS)に適用することで、様々な化学組成の固体電解質を合成できる汎用性の高いプロセスへと拡張する。
液相複合化においては、我々がこれまでに合成したナノサイズLPSを用いた液相複合化に取り組む。ナノサイズLPSに合わせて複合化プロセスを最適化し、全固体電池性能まで評価する。
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