2019 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of physical properties of transition metal phosphate cathode in the oxide glass-ceramic-derived all-solid-state battery
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19H02428
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
本間 剛 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (70447647)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナトリウムイオン電池 / 全固体電池 / 結晶化 / ガラス / レーザー / 正極活物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リン酸鉄系の酸化物結晶化ガラスが、ナトリウムイオン電池の正極活物質として機能することを明らかにしている。さらにガラスのガラス転移温度近傍における粘性流動に注目し、異種酸化物セラミックスとの接合が可能ではないかという着想のもとに、産学共同で、世界初となる酸化物ガラスセラミックスから構成される、全固体ナトリウムイオン電池の試作に成功している。この全固体電池では活物質と固体電解質間をガラスの融着で強固な接合界面を形成できるため、無加圧で使用できる点も興味深い。そこで本研究は全固体電池に資するリン酸鉄系正極活物質における過充電における挙動と、新材料の探索を目的とした。研究を進めることで（１）、（２）の成果が得られた。
（１）Ｎａ２ＦｅＰ２Ｏ７におけるＦｅサイトを他の２価カチオンで置換を行った。Ｍｇイオンで置換すると、ガラスおよび結晶化の熱物性が変化し、より低温で結晶化と流動性を呈することが明らかとなった。またＮｉイオンで置換すると４。２Ｖ近傍に放電電位が確認されるようになった。電解液の分解が確認されることから、
（２）代表者らはこれまでレーザーによるガラスの局所加熱を用いた結晶化の研究を行ってきているが、Ｆｅ２＋イオンは効率よく波長１μｍの光を吸収することから、Ｎａ２ＦｅＰ２Ｏ７にレーザー照射を適用した。その結果、レーザー照射により溶融が起こることを発見した。さらに照射部を再加熱することで、得られた多結晶体は緻密な微構造を示した。この手法は長時間の加熱を必要としないことから、異種材料との反応を抑制しながら接合するのに好適な手法である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
リン酸鉄ナトリウムを正極活物質に用いた全固体電池に対して、Ｎａ２ＦＦｅＰ２Ｏ７－Ｎａ２ＮｉＰ２Ｏ７疑２成分系の結晶化と通常の液系電池における充放電の評価は計画通りに達成できた。
さらにレーザーを用いた局所加熱のプロセスが、通常の熱処理では達成できない短時間での溶融と固体電解質との接合に有効であることが明らかとなった。現在本手法を用いた全固体電池を試作できるようになったため、初年度ではるが飛躍的な進歩を遂げた。
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| Strategy for Future Research Activity |
通常の熱処理による全固体電池の作製のみならず、レーザー誘起による全固体電池の創製と正極活物質の構造変化についてその機構を明らかにする。
研究協力者として大学院生２名が作製する。また研究補助者で長年、ナトリウムイオン電池の作製に携わっている研究補助者の協力のもとで進める。
波長1080nmの連続発振型のYbファイバレーザーを光源として用いて、対物レンズにより集光したレーザ光を正極層に照射する。レーザー光のビーム径、レーザー強度、走査速度によって形態が異なることから、それぞれの照射条件と構造変化（溶融、ガラス化、結晶化）を明らかにする。得られた試料は、オペランドX線回折による充電中のNa2FeP2O7に由来のX線回折パターン、ex-situ X線光電子分光による価数状態の評価、そして発光分光分析による組成変動の情報と充電電位との依存性を収集し、正極活物質の相変化機構との関係を明らかにする。Na2FeP2O7中の鉄サイトを他の遷移金属イオンで置換してもレーザー誘起構造変化は適用可能である。電池の駆動電圧向上に資するイオンとしてニッケルがあげられるが、ニッケルを部分置換した固溶体についても同手法を適用し、形態変化と充放電特性の関係を明らかにする。
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Research Products
(29 results)
