2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of innovative materials for all-solid-state Na/S batteries that operate at room temperature
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21H04701
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
林 晃敏 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (10364027)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 全固体電池 / 固体電解質 / ナトリウム－硫黄電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Na金属負極界面に適用可能な電解質として、Alを中心元素とする硫化物電解質の探索を進めた。メカノケミカル法や固相反応法を用いてNa2S-Al2S3系ガラスおよび結晶電解質を合成した。得られた試料の粉末成形体に対して交流インピーダンス法を用いて導電率を調べたところ、Na2S含量の高い組成ほど導電率が高いことがわかった。Na2Sを高含有するNa5AlS4ガラスは室温で10-6 S cm-1以上の導電率を示し、同組成の結晶と比較してガラスの方が高い導電率を示すことが明らかになった。Na5AlS4ガラスに対して60℃でサイクリックボルタンメトリーを行ったところ、繰り返しNaの溶解析出が可能であることがわかった。
ナトリウムイオン伝導性を示す新規な塩化物電解質の開発も進めた。メカノケミカル法を用いて合成したNaTaCl6試料は、数十nmの結晶がアモルファスマトリックス中に分散したナノ複合体であった。この粉末試料は室温でのプレス成形で緻密化し、得られた粉末成形体の導電率は室温で6.2×10-5 S cm-1となった。また熱処理によって導電率が低下したことから、アモルファス部分がイオン伝導に寄与していることが示唆された。またこの電解質は酸化側はNa-Sn合金基準で3.8 Vまで電気化学的に安定であることから、高い酸化耐性と導電率、成形性を兼ね備えた正極に適した固体電解質として期待できる。
Na金属に代わる高容量負極材料として、Naを予め含有したリン化物NaxPをメカノケミカル法を用いて合成し、全固体セルで電極特性を評価した。負極側の電解質として、本研究で開発した還元安定性に優れるNa5AlS4ガラスを適用した。例えばNa0.75Pを負極活物質に用いたセルは充放電可能であり、Naを含まない黒リンを用いたセルと比較して初期不可逆容量を大幅に低減することが可能となった。
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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
全固体ナトリウム－硫黄電池を実現するためのキーマテリアルとなる固体電解質について、負極側に適した還元耐性に優れる硫化物電解質と、正極側に適した酸化耐性に優れる塩化物電解質を新たに見出した。また負極活物質として、ナトリウム含有リン化物の適用可能性の検証も進めており、研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
正極および負極に適した固体電解質の組成を最適化するとともに、全固体ナトリウム－硫黄電池のフルセルとしての評価・解析に注力する。
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