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ホットソープ法を用いた電極活物質ナノ粒子の形態制御と全固体電池の高性能化

Research Project

Project/Area Number 11J09752
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Inorganic materials/Physical properties
Research InstitutionOsaka Prefecture University
Research Fellow 麻生 圭吾  大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY) 2011 – 2013
Project Status Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywords全固体リチウム二次電池 / 電極-固体電質界面 / 前駆体溶液 / 液相合成 / ホットソープ法 / 電極-固体電解質界面 / 形態制御 / 結晶相制御 / 固体-固体界面
Research Abstract

全固体リチウムニ次電池は、安全性の高い電池として研究開発が盛んに行われており、電気自動車などの大型電源への応用が期待されている。全固体電池の電極部分は、電極活物質、固体電解質、導電助剤の3者の混合物(以降、電極複合体)を用いており、これらの固体界面で電気化学反応が進行する。このことから、全固体電池の高性能化を実現させるためには、電極複合体内の電極活物質−固体電解質間の接触界面を増大させることが有効である。我々は、理想的な固体界面形成のためのファーストステップとして、溶液状態を経由して固体電解質を作製することに着目した。
そこで本年度は、Li_2S粉末、P_2S_5粉末およびN-メチルホルムアミド(NMF)を用いて硫化物固体電解質の前駆体溶液を作製し、その溶液から硫化物系固体電解質を析出させた。また、作製した前駆体溶液を用いて、良好な固体界面を有する電極複合体を作製し、全固体電池に応用した。
Li_2SとP_2S_5を乳鉢混合した粉末にNMFを直接混合したところ発熱を伴ったことから、Li_2SとP_2S_5をヘキサンに加え、氷浴中で撹拌しながらNMFと混合した。MMF添加から6時間後、NMF相は黄色透明となり、ヘキサン除去後の前駆体溶液のラマンスペクトルは、Li_2S-P_2S_5ガラスをNMFに溶解させた溶液と同じスペクトルになった。得られた溶液を180℃で減圧留去することで得られた粉末は、Li_3PS_4結晶であることがわかり、そのイオン伝導度は2.3×10^<-6>Scm^<-1>であった。この前駆体溶液をLicoO_2電極活物質粒子と混合し、溶媒を留去することによって、LiCoO_2粒子表面にLi_3PS_4固体電解質薄膜を形成した。硫化物固体電解質をコートしたLiCoO_2を作用極に用いた全固体In/LiCoO_2セルを作製した。硫化物固体電解質薄膜で表面をコーティングすることによって、全固体電池は二次電池として作動し、コーティング層がリチウムイオン伝導パスとして機能していることが明らかになった。以上の結果は、論文(3報)と学会(国内1件)で既に発表を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では全固体電池の高性能化を目指して、電極活物質-固体電解質界面の構築を行っている。平成25年度は、Li_2S粉末、P_2S_5粉末およびNメチルホルムアミド(NMF)を用いて硫化物固体電解質の前駆体溶液を作製することに成功し、この前駆体溶液が全固体電池用材料に応用可能であることを見出した。

Strategy for Future Research Activity

上記で得られた硫化物固体電解質の前駆体溶液を180℃で減圧留去することで得られた粉末は、Li_3PS_4結晶であることがわかり、そのイオン伝導度は2.3×10^<-6>Scm^<-1>であった。全固体電池の高性能化を見据えると、イオン伝導度の向上が必要不可欠である。そこで今後は、組成や溶媒の種類、溶解・乾燥方法が、析出してくる結晶相に与える影響について詳しく検討を行い、よりリチウムイオン伝導性の高い固体電解質を得ることを目指す。

Report

(3 results)
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report

Research Products

(24 results)

All 2014 2013 2012 2011

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 9 results) Presentation (15 results)

  • [Journal Article] Preparation of Li_2S-P_2S_5 solid electrolyte from N-methylformamide solution and application for all-solid-state lithium battery2014

    • Author(s)
      S. Teragawa, K. Aso, K. Tadanaga, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: 248 Pages: 939-942

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2013.09.117

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Liquid-phase synthesis of a Li_3PS_4 solid electrolyte using N-methylformamide for all-solid-state lithium batteries2014

    • Author(s)
      S. Teragawa, K. Aso, K. Tadanaga, A. Hayashi. M. Tatsumisago
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry

    • DOI

      10.1039/c3ta15090a

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Preparation conditions of NiS active material in high-boiling solvents for all-solid-state lithium secondary batteries2014

    • Author(s)
      K. Aso, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • Journal Title

      New Journal of Chemistry

    • DOI

      10.1039/c3nj01432k

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Formation of Li<sub>2</sub>S&ndash;P<sub>2</sub>S<sub>5</sub> Solid Electrolyte from <i>N</i>-Methylformamide Solution2013

    • Author(s)
      S. Teragawa, K. Aso, K. Tadanaga, A. Hayashi. M. Tatsumisago
    • Journal Title

      Chem. Lett.

      Volume: 42 Issue: 11 Pages: 1435-1437

    • DOI

      10.1246/cl.130726

    • NAID

      130004426820

    • ISSN
      0366-7022, 1348-0715
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] All-Solid-State Lithium Secondary Batteries Using NiS-Carbon Fiber Composite Electrodes Coated with Li_2S-P_2S_5 Solid Electrolytes by Pulsed Laser Deposition2013

    • Author(s)
      K、Aso, A. Sakuda, A. Hayashi, and M. Tatsumisago
    • Journal Title

      ACS Appl, Mater. Interfaces

      Volume: 5 Pages: 686-690

    • DOI

      10.1021/am302164e

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      2012 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Synthesis of NiS-carbon fiber composites in high-boiling solvent to improve electrochemical performance in all-solid-state lithium secondary batteries2012

    • Author(s)
      K. Aso, A. Hayashi, and M. Tatsumisago
    • Journal Title

      Electrochimica Acta

      Volume: 83 Pages: 448-453

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2012.07.088

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      2012 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Synthesis of nanosized nickel sulfide in high-boiling solvent for all-solid-state lithium secondary batteries2011

    • Author(s)
      K.Aso, H.Kitaura, A.Hayashi, M.Tatsumisago
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry

      Volume: 21 Pages: 2987-2990

    • DOI

      10.1039/c0jm02639e

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Synthesis of Needlelike and Platelike SnS Active Materials in High-Boiling Solvents and Their Application to All-Solid-State Lithium Secondary Batteries2011

    • Author(s)
      K.Aso, A.Hayashi, M.Tatsumisago
    • Journal Title

      Crystal Growth & Design

      Volume: 11 Pages: 3900-3904

    • DOI

      10.1021/cg200459t

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      2011 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Phase-Selective Synthesis of Nickel Phosphide in High-Boiling Solvent for All-Solid-State Lithium Secondary Batteries2011

    • Author(s)
      K.Aso, A.Hayashi, M.Tatsumisago
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 50 Pages: 10820-10824

    • DOI

      10.1021/ic2013733

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] N−メチルホルムアミドを用いたLi_3PS_4固体電解質の液相合成2014

    • Author(s)
      麻生圭吾、寺川真悟、忠永 清治、林 晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      公益社団法人日本セラミックス協会 2014年年会
    • Place of Presentation
      神奈川
    • Year and Date
      2014-03-17
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] ホットソープ法を用いた硫化ニッケル合成における反応機構の検討2013

    • Author(s)
      麻生圭吾、林 晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第3回CSJ化学フェスタ2013
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2013-10-22
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 全固体リチウム二次電池の高性能化に向けた電極活物質微粒子の形態制御2013

    • Author(s)
      麻生圭吾、林 晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第2回JACI/GSCシンポジウム
    • Place of Presentation
      大阪
    • Year and Date
      2013-06-07
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] ホットソープ法を用いた硫化ニッケルの合成とその反応機構2013

    • Author(s)
      麻生圭吾、林晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      日本化学会第93春季年会
    • Place of Presentation
      滋賀県
    • Year and Date
      2013-03-23
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Phase-selective synthesis of nickel phosphide and sulfide active materials in high-boiling solvents for all-solid-state lithium secondary batteries2012

    • Author(s)
      K. Aso, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • Organizer
      MRS Fall meeting & Exhibit
    • Place of Presentation
      米国
    • Year and Date
      2012-11-28
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrochemical performance of all-solid-state lithium secondary batteries using NiS-carbonfiber composite electrodes2012

    • Author(s)
      K. Aso, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • Organizer
      The 16th International Symposiumon Batteries, Fuel Cells and Capacitors
    • Place of Presentation
      福岡県
    • Year and Date
      2012-11-14
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Preparation of NiS-carbon fiber composites with Li_2S-P_2S_5 solid electrolytes by pulsed laser deposition for all-solid-state lithium secondary batteries2012

    • Author(s)
      K. Aso, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • Organizer
      ITJMRS-International Conference on Electronic Materials
    • Place of Presentation
      神奈川県
    • Year and Date
      2012-09-26
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] NiS-carbonfiber composite electrodes coated with Li_2S-P_2S_5 solid electrolyte for all-solid-state batteries2012

    • Author(s)
      麻生圭吾、作田敦、林晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第22回日本MRS学術シンポジウム
    • Place of Presentation
      神奈川県
    • Year and Date
      2012-09-24
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] All sohd-state lithium secondary batteries using NiS-carbon fiber composites coated with Li_2S-P_2S_5 solid electrolytes by pulsed laser deposition2012

    • Author(s)
      K. Aso, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • Organizer
      16^<th> International Meeting on Lithium Batteries
    • Place of Presentation
      韓国
    • Year and Date
      2012-06-19
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] ホットソープ法を用いた金属硫化物およびリン化物微粒子の作製と全固体電池への応用2012

    • Author(s)
      麻生圭吾、林晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      日本化学会第92春季年会(2012)
    • Place of Presentation
      慶応義塾大学日吉キャンパス(神奈川)
    • Year and Date
      2012-03-25
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] ホットソープ法を用いたM_mX_n(M=Ni,Sn;X=P,S)電極活物質の結晶相・形態制御と全固体リチウム電池への応用2012

    • Author(s)
      麻生圭吾、林晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第50回セラミックス基礎科学討論会
    • Place of Presentation
      国際ファッションセンター(東京)
    • Year and Date
      2012-01-12
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] ホットソープ法により得られたNiS活物質粒子を用いた電極複合体の作製と全固体電池への応用2011

    • Author(s)
      麻生圭吾、林晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第52回電池討論会
    • Place of Presentation
      タワーホテル船堀(東京)
    • Year and Date
      2011-10-19
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  • [Presentation] Fabrication of all-solid-state lithium secondary batteries using nanosized NiS active materials and Li_2S-P_2S_5 solid electrolytes2011

    • Author(s)
      K.Aso, A.Hayashi, M.Tatsumisago
    • Organizer
      The 62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • Place of Presentation
      Niigata, Japan
    • Year and Date
      2011-09-13
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  • [Presentation] Electrochemical performance of all-solid-state lithium secondary batteries with plate-like and needle-like SnS active materials synthesized in high-boiling solvents2011

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      K.Aso, A.Hayashi, M.Tatsumisago
    • Organizer
      18^<th> International Conference on Solid State Ionics
    • Place of Presentation
      Warsaw, Poland
    • Year and Date
      2011-07-07
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 硫化ニッケルナノ粒子を活物質として用いた電極複合体の作製と微細組織観察2011

    • Author(s)
      麻生圭吾、林晃敏、辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第13回化学電池材料研究会ミーティング
    • Place of Presentation
      日本化学会館(東京)
    • Year and Date
      2011-06-08
    • Related Report
      2011 Annual Research Report

URL: 

Published: 2011-12-11   Modified: 2016-04-21  

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