2019 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamics of Composite Electrodes in All-Solid-State Ionics Devices
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18H05255
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
辰巳砂 昌弘 大阪府立大学, 学長 (50137238)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 晃敏 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10364027)
作田 敦 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30635321)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 電極複合体 / 全固体イオニクスデバイス / イオン伝導体 / 固体界面 / 機械的性質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体－固体界面の構築及び保持は、全固体イオニクスデバイス固有の課題である。特にデバイス作動時に生じる力学的現象に伴う諸問題に対しては、その重要性の高さにも関わらず学術的なアプローチは皆無に等しい。本研究課題では、全固体イオニクスデバイスの共通課題である固体界面に関する学術基盤の確立を目標としている。
2019年度は、リチウム金属のデンドライトに伴う電池の短絡の課題を解決すべく、短絡プロセスの解明を試みた。X線CT観察による3次元構造の非破壊観察用の全固体電池を作製し、短絡挙動を評価した。リチウムデンドライトによって生じたクラックの分布を3次元的に捉えることに成功した。X線CTと、電子顕微鏡を用いた電池断面の高分解能2次元観察を組み合わせることで、全固体電池の短絡要因の特定に成功した。
固体イオニクス材料の局所構造と電気的・機械的特性の紐づけを目指した研究も進めた。中でも取り扱いや解析の難易度の高い、硫化物系材料やガラス系の材料に着目した研究を展開した。ラマン分光分析、固体NMR測定、XPSなどによる固体電解質の局所構造解析、ICP-AES、CHNS、EDSなどの元素分析、電子顕微鏡観察、光学顕微鏡観察による電極複合体の構造解析、DTA-TGやTG-MS測定を用いた熱分析、電気化学インピーダンス法や直流分極法を用いた電気化学的特性評価、超音波パルス法や圧縮試験を用いた機械的特性評価を行った。機械的特性に関しては、新規に機械材料試験機を導入し、大気安定性の低い高さ8 mmの小型試験片に対して高精度の高荷重の応力‐ひずみ曲線を得るための測定方法の確立と装置剛性の補正プログラムの構築を行い、硫化物系固体イオニクス材料の評価を進めた。
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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
研究計画調書に記載した１～２年目の検討は計画通り研究を進め、顕微鏡を用いて全固体電池の負極の電極複合体層における反応分布の解析を行い、充放電挙動との関係性を定量的に評価するなど、新規な電極複合体の評価手法の確立を進めることができている。その他にもX線CT測定による全固体電池内部のクラック形成挙動の観察や、断面SEM観察による電極構造の微細構造解析などの成果を得ている。さらに、常温加圧焼結が可能な酸化物系電極活物質の創製と充放電メカニズム解析、常温加圧焼結が可能な酸化物系固体電解質の開発と全固体電池への応用、硫化物系ガラス電解質の合成・局所構造解析・機械的特性の解析、二種類の固体電解質の複合体の機械的特性とイオン伝導特性の評価、イオニクス材料の評価が可能な高精度万能試験機の設計及び評価などを進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究を行う中で明確化する課題の解決や国内外の研究動向に合わせて柔軟に研究を進める必要があると考えるが、予算の執行に関しては基本的には研究計画調書で提案した研究内容を中心に検討を進める。
電極複合体構造と電気的特性の関係を定量化するための手法の開発に関して、①電極複合体のダイナミクスに対して継続的な課題抽出を行う。②X線CT、レーザーラマン顕微鏡、断面SEM観察を用いた構造解析を行い、電極複合体のモルフォロジーと電気化学的特性を紐づける手法の開発を行う。
イオニクス材料の機械的特性評価に着目した無機イオニクス材料創製を行う。具体的には、③イオニクス材料の緻密成形体の作製と電気的特性と機械的特性の評価や電極活物質の膨張収縮を想定した大ひずみ下に耐えうるイオニクス材料の創製と、挑戦的試みとして、④大ひずみ状態下でも弾性を保つことができる機械的特性を有する材料開発に取り組む。さらに、⑤可塑性を有するイオニクス材料の探索や⑥自己修復界面の構築を目指す。
2019年度より、研究代表者の辰巳砂が大阪府立大学の学長となり、主な職務が学生への教育から校務に変化した。一方で、教育や研究に充てることが出来る総時間は大きく減少したが、本研究課題とJSTとNEDOプロジェクトの一端を担う研究を除き、教育・研究に関してすべて後任の林教授と作田助教に引き継いだため、本研究課題遂行に関しては必要な研究時間を確保できており、院生やほかの研究員との打ち合わせを行う時間も取れているため、本研究課題の遂行に支障はない。
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