2022 Fiscal Year Annual Research Report
Basic research on all-solid-state batteries: Clarifying the origin of interfacial resistance using advanced electrical potential measurement
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21H01818
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
石田 暢之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 主幹研究員 (10451444)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ケルビンプローブフォース顕微鏡 / 局所インピーダンス計測 / 固体電解質 / 粒界抵抗 / 空間電荷層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
全固体リチウムイオン電池は有望な次世代蓄電池技術である。しかし、界面や粒界で生じる高いイオン伝導抵抗が実用化の大きな妨げとなっている。この界面抵抗を低減するためには、「界面抵抗の起源解明」および「それを可能とする界面抵抗の精密計測技術」が、試行錯誤的プロセス開発を脱却する上で本質的に重要である。本研究では、ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM）技術を基盤としたナノスケール電位計測技術を発展させ、「界面抵抗の起源と考えられている空間電荷層の精密計測」や、「単一粒界抵抗計測を実現する局所インピーダンス計測手法の開発」に取り組む。
2022年度は2021年度に開発した局所インピーダンス計測法を実材料評価へと応用した。具体的には、市販のLiイオン伝導性固体電解質（LiLaTiO3）中の粒界抵抗成分の可視化を試みた。試料作製には湿式の精密研磨を採用し、粒界抵抗観察のための最適化を行った。これにより平坦かつ清浄な表面の作製に成功し、局所インピーダンス計測法を用いて、粒界で生じる電位降下や位相の変化を観察することに成功した。また、異なる固体電解質材料の接合界面でも同様の計測を行い、界面に生じる電位差や電位降下を計測した。今後はより高空間分解能のデータを取得し、粒界抵抗の長さのスケールを精密に評価し、粒界抵抗の要因を考察する。
その他に、2021年度に引き続き、電極-固体電解質界面に形成される空間電荷層における界面抵抗の評価のための試料作製の最適化を行った。金エポキシ電極や湿式研磨、破断法を組み合わせた試料作製を様々試みたが、段差のない界面の作製条件の確立には至っていない。今後は、イオンミリング等、これまでに試していない手法も導入し、試料作製の最適化を図る。
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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
2022年度は、2021年度に開発した局所インピーダンス計測法を実材料評価へ展開を実施した。対象として以下二つの課題を設定した。(1) 電極-固体電解質界面に形成される空間電荷層における界面抵抗の評価、および、(2)固体電解質中の粒界抵抗の評価。(2)の課題については試料作製方法を確立し、粒界抵抗での電位降下や位相変化を可視化することに成功した。一方、(1)の課題については、信頼性のある計測に必要となる、平坦な電極-固体電解質界面を作製することができなかった。早急に最適な試料作製方法を確立し、計測へ進む必要がある。(1)について遅れがあるが試料作製以外の準備は整っており、試料作製法を確立することができれば、研究の大幅な進展が期待できる。そのため、おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度に実施した固体電解質粒界の評価を進める。特に、粒界抵抗が発生する長さのスケールを精密に計測することで、空間電荷層と粒界抵抗の相関を調べる。これにより、粒界抵抗の起源を考察する。電極-固体電解質界面の評価については、段差のない電極-固体電解質界面の作製のために、これまで試していないイオンミリングを使った試料作製に取り組む。試料作製手法を確立した後、これまでに構築した測定法を用いて、空間電荷層幅や界面抵抗の発生する長さを計測し、界面イオン伝導抵抗に関する考察を行う。これらの活動を通じて、提案手法の有効性を示すとともに、固体イオニクス学理構築に貢献する。
加えて、これまでの研究を遂行する際に着想した、新しい時間分解電位計測法の原理実証を進め、イオン伝導体材料評価への応用の可能性を探る。
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