2020 Fiscal Year Research-status Report
次世代型高容量二次電池用アモルファス電極における硫黄レドックス制御と創成
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19K15657
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
谷端 直人 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30803803)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 抵抗解析 / 高容量レドックスの材料設計指針 / 単味電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで全固体ナトリウムイオン電池において、高容量硫黄レドックスに関する知見を取得するために、電極活物質以外を含まない単味電極で充放電可能な材料探索を行ってきた。その中で、「アモルファス材料中のイオン伝導性は、キャリアイオン濃度と正の相関を示す」ことに注目し、高Na含有アモルファス材料を選定してきた。今年度は、実験条件を検討することにより、アモルファスNa3FeS3が単味電極で可逆的な高容量硫黄レドックス (2電子分) を行うことを示した。しかし、まだ低電流密度による充放電試験であり、今後の研究には更なる低抵抗化が求められる。そこで、その単味電極を用いた全固体ナトリウムイオン電池の更なる高性能化に向けて、抵抗 (過電圧) 解析を今年度は主に行った。初めに交流インピーダンス測定を用いた解析を行った結果、当電極は一般的な酸化物材料を用いた電極よりも高いナトリウムイオン伝導性を示し、単味電極でも高容量を示していることが明らかになった。また、その伝導性は、放電 (Na吸蔵) 後の方が、充電 (Na脱離) 後よりも高く、「アモルファス材料のイオン伝導性は、キャリアイオン濃度と正の相関を示す」という知見に沿う結果であった。一方、更なる抵抗解析の結果、当電極材料の電子伝導性は、一般的な遷移金属硫化物と比べて低いと言う課題点も明らかになった。これら本年度の研究により、単純で構造解析に適する単味電極で高容量のアニオンレドックスを評価できる材料の選定を行うことができた。
一方、全固体電池の抵抗を評価する際は、対極の影響も考慮する必要がある。今年度は、対極 材料候補して新規Na-Sn合金に注目し、その抵抗解析も行った。その結果、本新規材料は従来の対極よりも低抵抗を示した。この材料を用いた全固体電池を評価することによって、アモルファスNa3FeS3電極の特性をより正確に評価することが可能である。
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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
構造解析における不確定要素の少ない単味電極により、高容量硫黄レドックスを実現できているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度得た、アモルファスNa3FeS3の電子伝導性は一般的な遷移金属硫化物と比べて低いという結果から、更なる高性能化に向けて、充放電作動温度を高くすることを検討する。全固体電池は、従来の電解液を用いた電池とは異なり、高い作動温度でも評価できるメリットを有する。また、単味電極を用いていることから、材料の電子伝導性の温度依存性のデータが、そのまま全固体電池の電極における物性値となることから、電池設計も容易であると考えられる。また、硫黄レドックスのメカニズム解明のための構造解析において、支障がない程度の導電助剤の添加も検討する。それらの検討によって、電極活物質の利用率および電極当たりのエネルギー密度の向上を実現し、新規材料における硫黄レドックス反応の解析を行っていく。そして、遷移金属が硫黄レドックスに与える影響について構造解析や量子科学計算を交えて調査する予定である。また、今年度実証された材料設計指針に基づき、構造データベース上の化合物でナトリウムを更に多く含有した硫化物化合物を検討し、更なる高性能化を目指す。
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