2018 Fiscal Year Annual Research Report
多次元イメージングによるリチウム固体電解質の粒界構造及びイオン伝導特性の解明
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18J23187
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐々野 駿 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 固体電解質 / 粒界抵抗 / 電気化学歪み顕微鏡 / 走査透過型電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではリチウムイオン電池の固体電解質材料の候補物質であるLLTOについて，その粒界抵抗の起源を明らかにすることを目的として実験および解析を進めてきた．本年度はLLTOの粒界におけるイオン伝導度の測定ならびに原子構造観察を行った．
まず整合性の異なる2種類のSrTiO3双結晶基板(Σ5，Σ13)を作製し，それら基板上にパルスレーザー堆積法を用いてLLTO薄膜を成長させることにより，LLTO双結晶薄膜を作製した．作製したΣ5およびΣ13双結晶試料に対して，原子間力顕微鏡(AFM)の応用手法である電気化学歪み顕微鏡(ESM)を用いることにより，各粒界における微視的イオン伝導度の計測を行った．さらに，走査透過型電子顕微鏡(STEM)ならびに電子エネルギー損失分光(EELS)を用いることにより，粒界における原子構造の観察ならびに電子状態の測定を行った．
ESMによるイオン伝導測定の結果，Σ13粒界周辺領域においてイオン伝導度が低下していることが明らかとなった．また，Σ5粒界においてはイオン伝導度の低下が観察されなかったことから，粒界におけるイオン伝導度が粒界の局所構造と密接に関連していることが示唆された．さらにSTEMおよびEELSによる観察結果から，Σ13粒界において多くの酸素空孔が形成されていることが明らかとなった．また，いずれの粒界においてもチタンがほとんど還元されていないことから，粒界周辺領域においてリチウムイオン濃度が低下することによって電荷補償が行われたと予想される．以上から，酸素空孔の形成に伴うリチウムイオン濃度の低下によって，粒界におけるイオン伝導度の低下が引き起こされたと考えられる．また，これらの結果から，整合性の悪い粒界ほどより大きなイオン伝導抵抗を示すことが予想される．
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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
双結晶法，電気化学歪み顕微鏡，および走査透過型電子顕微鏡を組み合わせることにより，粒界におけるイオン伝導度低下のメカニズムに関する新たな知見が得られたといえる．これらの研究結果は，高いイオン伝導度を示す粒界構造の設計指針を与える重要なものであると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
ESMによる測定は，ナノスケールにおけるイオン伝導を高い空間分解能で検出することができる一方で，定量的な評価が難しいという問題がある．また，双結晶試料を用いた場合，検出されるのは主に粒界に沿ったイオン伝導であると予想される．そこで今後は，より定量的な解析を行うために，LLTO双結晶試料を用いて電気化学インピーダンス測定を行い，粒界をまたぐイオン伝導度に関して定量的に評価していく予定である．
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