2024 Fiscal Year Research-status Report
Space Battery Stable for 100 Years in Extreme Space Environments
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24K21222
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐藤 一永 東北大学, 工学研究科, 准教授 (50422077)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 和哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (00191578)
市川 裕士 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451540)
渡邉 賢 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90552480)
宇野 健太朗 東北大学, 工学研究科, 助教 (90944207)
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| Project Period (FY) |
2024-06-28 – 2027-03-31
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| Keywords | 宇宙環境 / 熱疲労 / 全固体電池 / 超高真空 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超高真空、低温・高温サイクル、低重力、高エネルギー放射線や振動などの超過酷環境に耐えうる超軽量化した全固体二次電池を開発するために、酸化物型電池を対象に研究を推進した。
酸化物電池は１０００℃以上の高温で焼成して作製するため、高温環境においては極めて性能、耐久性ともに優れるが、氷点下での作動、機械的安定性に多くの課題があった。
そこで、今年度は、焼結方法や界面構造を工夫することで、できるだけ低温環境下での力学的安定性ならびに性能特性が発揮できるような設計、試作を試みた。それにより、焼成温度を極めて低温化することでー２０℃程度までは安定的に動くことができることが分かった。また、界面構造を工夫することで、従来の１０倍程度の界面安定性を実現することが明らかとなった。これらの条件を組み合わせることで、ー３０℃程度の温度での安定運転の見通しを立てるこが可能となった。
また、今年度は、超高真空、極低温・高温サイクル、高エネルギー放射線下での充放電試験ができる、全固体電池ロバスト性迅速評価装置の開発に着手した。超高真空ならびに高温環境での試験ができる環境までは開発が完了した。今後は、極低温、温度サイクル、高エネルギー放射線、振動が導入できる試験装置まで開発を進める。
加えて、今年度は酸化物全固体電池用性能、耐久性シミュレータの開発に着手した。焼成条件が極めて重要なため、焼成中や焼成後の残留応力を評価できる装置を開発し、現在、焼成中にどのような挙動を示すか様々な条件で評価を行っている。
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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
今年度は、酸化物型全固体電池迅速ロバスト評価装置の開発に着手し、真空環境までの環境が実現可能な機能が発揮できるところまでをマイルストーンとしていたが、超高真空ならびに高温環境まで実現可能になったところが、当初よりも進捗している。
また、セル開発においては、ー２０℃まで力学的安定性と性能が担保できるところまで進捗しており、当初の計画通りの低温ロバスト性を確保することに成功した。一方、本作製法による低温ロバスト性に関しては、未解明の部分が多く、今後、より低温性を実現するためにはクリアしたい課題である。
当初の予定を前倒しして、今年度は酸化物全固体電池用性能、耐久性シミュレータの開発に着手した。焼成条件は極めて重要なため、焼成中や焼成後の残留応力を評価できる装置を前倒しで開発することで、前述した低温ロバスト性機構の解明ならびに焼結最適化に向けた先取り研究を行ったため、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度以降、酸化物型全固体電池迅速ロバスト評価装置の開発においては、極低温環境実現を早期に実現する。今年度行った開発においては、今年度の予備検討により、超高真空チャンバー内の極低温環境実現は極めてハードルが高いことを実感した。特に、冷却方法で低温冷媒で冷却すると外部配管が結露してしまい、安定的な低温環境実現が困難なため、来年度以降は別な方法を採用することで極低温環境の早期実現につなげたい。
また、セル開発においては、ー３０℃まで力学的安定性と性能が担保できるところまでを見通したい。そのためにも今年度前倒しして、開発に着手した酸化物全固体電池用性能、耐久性シミュレータを活用して、低温ロバスト性機構の解明ならびに焼結最適化を行う。
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| Causes of Carryover |
今年度開発に着手した、酸化物型全固体電池迅速ロバスト評価装置の製造に関して、東北大学の機械工場の協力を仰げることになり、外注に比べて大幅にコストを低減することに成功した。一方で超高真空中での極低温環境実現には試行錯誤が必要なため、次年度は極低温開発に向けた資金に充てる予定である。
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