2023 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of atomically controlled interfaces with extremely low interfacial resistance in all-solid-state Li batteries
| Project/Area Number |
21K05256
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
西尾 和記 東京工業大学, 物質理工学院, 特任准教授 (60805117)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 全固体Li電池 / 界面抵抗 / 薄膜電池 / 硫化物固体電解質 / 緩衝層 / 全真空プロセス / 清浄界面 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
全固体Li電池を高速充放電させるために、硫化物固体電解質と正極間の界面抵抗起源を解明して低抵抗化することが極めて重要である。本研究では界面抵抗の起源を定量的に探索するために、清浄かつ原子レベルでLiイオン伝導経路が規定された界面構造を有する薄膜型電池を活用した。そして、硫化物固体電解質Li3PS4と様々な正極材料における界面抵抗を定量的に評価した。LiCoO2やLiNi0.8Co0.15Al0.05O2正極に対し、Li3PS4と界面を形成すると、正極側へSの拡散に伴う化学反応層が形成されることを元素分析から確認した。そして、そのような化学反応層の形成に伴い極めて高い界面抵抗を示し、電池動作しなかった。これらの結果から、界面抵抗の起源は化学反応層であることを明らかにした。
また、界面の抵抗起源となる化学反応層の生成は、酸化物固体電解質（Li3PO4）をナノ緩衝層として導入すると抑制できることを明らかにした。この結果、極めて低い界面抵抗（~10 Ohm cm^2）を示し電池が正常に動作できることを見出した。
緩衝層としてよく利用されるLiNbO3にも着目し、その電気伝導度に着目して電池特性との相関を調べた。そして、固体物理の視点にもとづき、電子のエネルギーバンドを考慮することでLiNbO3が緩衝層として機能することを明らかにした。
5 V級正極材料のLiNi0.5Mn1.5O4においても上記の正極らと同様の結果が得られた。Li3PS4とLNMOの間にLi3PO4を緩衝層として導入することで界面抵抗を1/50,000低減して電池動作に成功した。この過程で、30 mA/cm2の電流密度で高速充放電を安定して行うために、Li金属負極側におけるLi3PS4との界面にLi3PO4やPtナノ層を緩衝層として導入することが有効であることを見出した。
|
