2014 Fiscal Year Annual Research Report
高容量アモルファス硫化物電極活物質の創製と全固体電池への応用
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26248059
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
辰巳砂 昌弘 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50137238)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 晃敏 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10364027)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 電極活物質 / 全固体電池 / アモルファス / 硫化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、安全性と高エネルギー密度を両立した全固体リチウム二次電池の開発を目的として、高容量と長期サイクル寿命を有する新規なアモルファス電極活物質の作製と評価を行う。遷移金属硫化物は一般的に電子伝導性が高いという特長を持ち、例えばTiS2結晶は典型的な正極活物質として知られている。活物質中の硫黄含量を高めることによって高容量が期待できるため、本研究ではTiS3およびMoS3に着目し、アモルファス化が電極特性に及ぼす影響について調べた。
遊星型ボールミルを用いたメカニカルミリング法を用いてアモルファスTiS3(a-TiS3)およびa-MoS3を作製した。また固相法を用いてTiS3結晶(c-TiS3)を得た。得られた活物質を含む正極と、Li2S-P2S5系固体電解質、Li-In負極の3層から構成される全固体リチウム電池を作製し、室温下、0.064 mA cm-2で定電流充放電測定を行った。c-TiS3を用いた電池において、1サイクル目の放電時にTiS3結晶の理論容量である556 mAh g-1に近い容量が得られたが、初期充電時に容量が減少し、その後は約400 mAh g-1の容量を維持した。一方、a-TiS3を電極活物質として用いた全固体電池は約550 mAh g-1の容量を10サイクルの間保持した。充放電後の正極について、XRDやTEMを用いて構造解析を行ったところ、c-TiS3は初期放電時に結晶性の低下が見られたのに対し、a-TiS3は充放電後において大きな構造変化が観察されなかった。またa-MoS3を正極活物質に用いた全固体電池は、初期放電容量が約760 mAh g-1の高容量を示し、より大きな電流密度である1.3 mA cm-2で作動させた場合においても約400 mAh g-1の容量を10サイクルの間保持することがわかった。
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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
アモルファス遷移金属硫化物としてTiS3とMoS3の作製を行い、それらが全固体電池において高容量と良好なサイクル特性を示すことを明らかにした。またTiS3結晶を合成し、アモルファスTiS3と電極特性を比較したところ、アモルファス電極の方が優れた充放電特性を示すことを見出した。これら電極の充放電特性の違いを、電極構造の観点から検討を開始している状況である。よって本研究は順調に進行していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に引き続き、硫黄含量が大きなアモルファスMS2+x (M:遷移金属)の作製を行い、高容量を示す新規な電極を探索・開発する。遷移金属としては従来から検討しているTiに加えて、Mo, V, Feについて検討する。遊星型ボールミルの処理条件や処理温度を変化させることによって、アモルファス化を促進させる実験条件を確立する。得られたアモルファス活物質を全固体電池へ適用し、高容量とサイクル性、レート特性を兼ね備えた材料を見出す。また、アモルファス電極の充放電反応メカニズムを明らかにするためには、様々な分光法を組み合わせて総合的に電極構造変化を調べる必要がある。そこで様々な条件で充放電させた電池を解体し、電極層を取り出して構造評価を行う。X線回折や高分解能TEMに加えて、XPSやXAFSを用いて遷移金属イオンと硫化物イオンの電子状態変化を調べる。また断面SEM観察による電極－電解質界面接合状態を明らかにする。構造解析から得られた知見を基に、高容量と長寿命を示すアモルファス電極活物質の開発に取り組む予定である。
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