2020 Fiscal Year Annual Research Report
電極-固体電解質相におけるイオン輸送と化学状態の同時その場解析
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18H02077
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
増田 卓也 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (20466460)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電極-固体電解質相 / その場解析 / 全固体電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電圧印加・大気非曝露搬送機構を備えた実験室型X線光電子分光装置を用いて、ガーネット型酸化物固体電解質上に気相成長させたシリコン薄膜負極へのリチウム脱挿入反応をその場観察した。リチウムの脱挿入に応じて可逆に組成変化するリチウムシリサイドに加えて、リチウムシリサイドと系内の残留気相成分の副反応によって酸化リチウム、炭酸リチウムが生成した。また、シリコン表面を覆う自然酸化膜にもリチウムが挿入され、リチウムシリケートが生成した。これらの副次生成物は充放電サイクルによってリチウムが脱離しにくい不可逆成分であるということが確認された。各化学種に対応する信号強度および物性パラメーターからそれぞれの反応生成物の厚さを定量的に見積り、こうした不可逆相が初期容量劣化に及ぼす影響を明らかにした。
加えて、リチウムシリサイドの組成がある水準に至るまでリチウムを挿入した後にリチウム脱離を行うことによって「相転移現象」が観察された。相転移が起こる領域まで充放電サイクルを繰り返すと容量劣化が顕著であることから、相転移に伴う体積変化が劣化要因であると考えられる。
当初、一連の動的計測によって固体電解質や電極活物質におけるイオン輸送特性の定量評価を目指していたが、反応開始直後の表面にリチウムの存在が確認されたことなどから、シリコンにおけるリチウムイオン輸送速度は装置の時定数を上回るということが明らかになった。イオン拡散速度を計測するためには装置の時定数、感度、試料厚さ、材料固有のイオン伝導特性といったパラメーターに基づき、試料側の作り込みも重要であるとの知見が得られた。他方、実用を視野に入れたシリコン負極を対象として、リチウムの脱挿入反応のメカニズムと容量劣化をもたらす重要因子が解明され、全固体電池の多様な界面反応観察への応用展開が始まったという点で研究提案時を上回る重要な成果・進展が得られたと言える。
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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