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全固体リチウム金属電池の高エネルギー密度化に向けた電極/電解質界面の構築

Research Project

Project/Area Number 17J10552
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

Principal Investigator

加藤 敦隆  大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords全固体電池 / リチウム金属負極 / 硫化物固体電解質 / 電極/電解質界面 / 高温作動特性 / 化学的安定性
Outline of Annual Research Achievements

等方静水圧プレス(CIP)を用いたLi金属/Li3PS4電解質の界面構築を検討した。CIPを用いることにより、界面抵抗を大幅に低減することができた。次に、CIPで構築した界面において100°Cで対称セルを評価したところ、25°Cのときと比べてセル抵抗の大幅な減少およびLi溶解析出特性の向上を観測した。さらに、Au薄膜をLi金属/ Li3PS4電解質界面に挿入して100°Cで定電流サイクル試験を行ったところ、1.3 mA cm-2の高電流密度、6.5 mAh cm-2の高容量での溶解析出が可能であることを見出した。このAu薄膜を有するLi金属を負極とし、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2活物質を正極に用いた全固体Li金属セルは、有機電解液を用いた現行のLiイオン電池のエネルギー密度に近い226 Wh kg-1(セル外装と集電体の重量を除く)の値を達成した。
Li3PS4ガラス電解質を、ガラス転移点付近(170oC)でホットプレスしたところ、粒界や空隙が低減した成形体を得られた。また、室温成形でも静水圧プレスと一軸プレスを組み合わせることで粉末成形体表面近傍の粒界や空隙を低減できることを見出した。このような成形体にLi金属を貼り付け、全固体対称セルの評価を行ったところ、室温一軸プレス成形体よりも高電流密度で短絡しにくいことを明らかにした。
Li金属に対して化学的に安定なハロゲン化リチウムをLi金属/硫化物固体電解質界面に用いることを検討した。真空蒸着により作製したLiF薄膜が界面に挿入された全固体Li金属対称セルは、100°Cにおいて0.89 mA cm-2の電流密度で溶解析出が可能であることを明らかにした。また、Li3PS4-LiI系ガラス電解質をLi金属との界面形成に用いることで100°C、1.25 mA cm-2の条件で3000時間以上安定に溶解析出できることを見出した。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Report

(1 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2018 2017

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Mechanical Properties of Li2S-P2S5 Glasses with Lithium Halides and Application in All-Solid-State Batteries2018

    • Author(s)
      Atsutaka Kato, Mirai Yamamoto, Atsushi Sakuda, Akitoshi Hayashi, Masahiro Tatsumisago
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: 1 Issue: 3 Pages: 1002-1007

    • DOI

      10.1021/acsaem.7b00140

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 金属Li負極 / Li3PS4-LiI系電解質界面におけるLi溶解析出挙動2017

    • Author(s)
      須山元嗣, 加藤敦隆, 作田敦, 林晃敏, 辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第19回化学電池材料研究会ミーティング
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Li3PS4-LiI系電解質を用いた全固体Li金属セルの100°CにおけるLi溶解析出特性2017

    • Author(s)
      須山元嗣, 加藤敦隆, 作田敦, 林晃敏, 辰巳砂昌弘
    • Organizer
      第58回電池討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] XPS Structure Analysis of the Li/Li3PS4 Interface in All-Solid-State Lithium Batteries2017

    • Author(s)
      Atsutaka Kato, Akitoshi Hayashi, Masahiro Tatsumisago
    • Organizer
      The 21th International Conference on Solid State Ionics
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lithium dissolution/deposition behavior at Li metal/Li3PS4-LiI interface for high-temperature operating all-solid-state batteries2017

    • Author(s)
      Motoshi Suyama, Atsutaka Kato, Atsushi Sakuda, Akitoshi Hayashi, Masahiro Tatsumisago
    • Organizer
      2017 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2017-05-25   Modified: 2024-03-26  

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