2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of interface between complex hydride solid electrolyte and sulfur/carbon composite electrode
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19K15305
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
木須 一彰 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80755645)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | イオン伝導 / 錯体水素化物 / 二次電池 / 全固体電池 / リチウム硫黄電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
持続可能社会に向けた再生可能エネルギーの導入や電気自動車などの発展を背景として、高エネルギー密度化型のエネルギー貯蔵デバイスが求められている。リチウム金属負極と硫黄正極から成る固体型のリチウム硫黄電池は次世代電池の中でも高い理論重量エネルギー密度を有しているが、それらの電極材料への安定性を有する固体電解質の開発が課題となっている。強い還元力を有する錯体水素化物は、反応活性が非常に高いリチウム金属に対して優れた安定性を有するため、リチウム硫黄電池用電解質として期待されている。本研究では、錯体水素化物固体電解質/リチウム負極および硫黄炭素複合体正極の界面における化学的/電気化学的安定性の評価し、界面に生成する新規層の生成条件や生成メカニズムを検討し、安定な充放電サイクル寿命を有する全固体リチウム硫黄電池の実現を目指した。具体的には、Li4(BH4)3Iを固体電解質、リチウム金属を負極、硫黄炭素複合体を正極に用いた全固体リチウム硫黄電池を構築し、電気化学的評価に加えて、充放電前後における正極の断面SEM観察およびRaman分光分析を行うことで、劣化メカニズムを検討した。充放電前では、固体電解質が硫黄炭素複合体まで途切れることなく存在している一方、リチウムイオン挿入過程である放電が行われると、硫黄とリチウムの反応に伴う体積膨張によって正極層全体が膨張し、続く充電過程における収縮によって正極層内の固体電解質にクラックが生成する。このクラックの生成に加えて、固体電解質の酸化分解が起こることで、イオンパスの喪失が生じ、充放電容量の劣化が起きていると考察した。得られた考察から、電極構造・組成の最適化を行うことで、従来よりも高いサイクル特性を有する全固体リチウム硫黄電池の構築に成功した。さらに、本研究成果を応用することで、水素化物系電解質を用いた多価イオン硫黄電池への展開を検討した。
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