2020 Fiscal Year Annual Research Report
Research on photoelectrochemical energy storage devices
| Project/Area Number |
19H02808
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
平山 雅章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (30531165)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 光電気化学材料 / インターカレーション電極 / 全固体電池 / リチウム電池 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
令和２年度は昨年度までに実施項目(i)電極/固体電解質界面の構築, (ii) 光電気化学特性評価, (iii) 固固界面構造の評価手法確立，で構築した合成評価手法を基に，全固体光デバイスを作製，光電気化学反応解析を進めた．本年度はTiO2光電極に対してバンドギャップが十分大きなLaSrAlO4基板を選定し，電極と固体電解質の界面に到達する光量を大きくすることで，詳細解析に必要な光応答を確保することを狙った．パルスレーザー堆積条件を探索した結果，表面粗さが1 nm程度のNb:TiO2(001)エピタキシャル膜(30 nm)を合成できた．さらに，スパッタリング法で非晶質Li3PO4膜を2 μm，真空蒸着法でLi金属負極を1 μm程度積層することで，全固体光デバイスを作製した．充放電範囲3.0 V-1.0 V，非照射下で定電流充放電を確認したのち，波長365 nmのLED光源を用いて充電時に光照射したところ，光充電による容量増大を観測し，非照射下放電で可逆的に容量を取り出せることがわかった．光源-試料間距離は10 cmとし，このとき温度上昇は1 °C未満であるため，加熱による容量増大でないことを確認できた．実施項目(iv) 光イオニクス活性発現条件の解明では，エネルギー準位図との対応を検証した．分光測定からLixTiO2のフラットバンド電位は2.2 V程度であり，高電位域ではLi3PO4との界面にn型空乏層が形成され，界面の価電子帯準位は5.5 V程度であった．電池電圧を変えて光照射した結果，2.5 V以上で光酸化電流が立ち上がったことから，n型半導体電極/固体電解質界面で電荷分離された正孔がLixTiO2を光酸化（Li脱離）していることを明らかにした．以上より，光電気化学，電子構造のいずれの観点からも，光/化学エネルギー変換現象を明らかにできた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，【1】全固体型光蓄電デバイスの構築と評価，【2】電極/固体電解質界面における光イオニクス現象解析，【3】光イオニクス物質開拓を目指して，以下を推し進める．(i) 電極/固体電解質界面の構築, (ii) 光電気化学特性評価, (iii) 固固界面構造の評価手法確立, (iv) 光イオニクス活性発現条件の解明，(v) 光イオニクス物質開拓．令和２年度は初年度に立ち上げた【1】を活用して，【2】を推進した．熱の影響を極力排除した測定，エネルギー準位図に基づく解析に注力して，モデル電極/電解質界面における光Li脱離現象が光照射で生成した正孔を利用した酸化反応に由来することを実証できた．放射光X線回折による結晶構造の観点からの解析についても，光照射可能なin situ セルを自作が完了するなど進捗したが，新型コロナウィルスの影響により出張実験は叶わず，次年度に実施することとした．【2】から光Li脱挿入が生じる条件が明らかになりつつあり，それを基に【3】で材料選定を開始している．令和3年度に光Li脱挿入原理に基づく材料開発を進める目処は立っており，計画通りに成果が得られると考える．以上より，「おおむね順調に進展している」.
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和２年度まで作製した全固体薄膜デバイス，構築した光電気化学実験系を活用して，電極/固体電解質界面における光イオニクス現象解析および新材料開発を推し進める．前期は放射光実験などの外部実験の中止，延期等も想定されるため，実験室で実施可能な【3】光イオニクス物質開拓を先行して推し進める計画である．後期には放射光X線回折実験を光電気化学実験，分光測定と組み合わせて，光充電特性の向上や新材料の機能実証を行っていく計画である
|
Research Products
(3 results)
