薄膜型全固体リチウム電池におけるイオン伝導特性

• 研究課題/領域番号: 16H03864
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 日本工業大学 (2017-2018); 東北大学 (2016)
• 研究代表者: 白木 将 日本工業大学, 基幹工学部, 教授 (80342799)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2018年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2017年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2016年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円)
• キーワード: 界面 / 表面 / 薄膜 / 全固体電池 / リチウム２次電池 / エピタキシャル薄膜 / パルスレーザー堆積法 / 表面界面物性 / リチウム電池 / 表面・界面物性

研究成果の概要

全固体電池は、その高いエネルギー密度と安全性により、次世代の蓄電デバイスと期待されている。しかしながら、固体電解質と電極界面における高い界面抵抗が実用化への障壁となっている。本研究では、薄膜型の全固体電池を作製し、極めて低い界面抵抗を得ることに成功した。また、放射光を用いた表面X線回折によりその界面構造を調べ、高抵抗界面では結晶の周期性が乱れているのに対して、一方の低抵抗界面では電極表面が平坦かつ規則的に原子が配列をしていることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

今回の成果により、全固体電池を実用化するための道筋が見えてきました。高出力型全固体電池における界面抵抗の低減や高速充放電の実証は、全固体リチウム電池の実用化の鍵であり、実用化を目指す上で、大きな一歩です。今回の研究で得られた知見が全固体電池の作製プロセスの改良に活用され、高性能全固体電池の開発につながることが期待されます。

研究成果

• [雑誌論文] Atomically Well-Ordered Structure at Solid Electrolyte and Electrode Interface Reduces the Interfacial Resistance (2018)
  • 著者名/発表者名: Shiraki Susumu、Shirasawa Tetsuroh、Suzuki Tohru、Kawasoko Hideyuki、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 10 号: 48 ページ: 41732-41737
  • DOI: 10.1021/acsami.8b08926
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of a surface TiO2 atomic sheet on the electronic transport properties of LaAlO3/SrTiO3 heterointerfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ohsawa, M. Saito, R. Shimizu, K. Iwaya, S. Shiraki, Y. Ikuhara, and T. Hitosugi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 14 ページ: 141602-141602
  • DOI: 10.1063/1.5046876
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extremely low resistance of Li3PO4 electrolyte/Li(Ni0.5Mn1.5)O4 electrode interfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Kawasoko, Susumu Shiraki, Toru Suzuki, Ryota Shimizu, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 10 (32) 号: 32 ページ: 27498-27502
  • DOI: 10.1021/acsami.8b08506
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the Use of 31Mg for b-Detected NMR Studies of Solids (2018)
  • 著者名/発表者名: R. M. L. McFadden, A. Chatzichristos, M. H. Dehn, D. Fujimoto, H. Funakubo, A. Gottberg, T. Hitosugi, V. L. Karner, R. F. Kiefl, M. Kurokawa, J. Lassen, C. D. Philip Levy, R. Li, G. D. Morris, M. R. Pearson, S. Shiraki, M. Stachura, J. Sugiyama, D. M. Szunyogh, W. A. MacFarlane
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 21
  • DOI: 10.7566/jpscp.21.011047
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Challenge for Detecting the Interface between Electrode and Electrolyte with β-NMR (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Jun、Umegaki Izumi、Shiraki Susumu、Hitosugi Taro、McFadden Ryan M. L.、Wang Dongsheng、Karner Victoria、Morris Gerald D.、MacFarlane W. Andrew、Kiefl Robert F.
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 21 ページ: 011021-011021
  • DOI: 10.7566/jpscp.21.011021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LE-μ+SR Study of Superconductivity in the Thin Film Battery Material LiTi2O4 (2018)
  • 著者名/発表者名: Mansson M.、Forslund O. K.、Nozaki H.、Umegaki I.、Shiraki S.、Hitosugi T.、Prokscha T.、Salman Z.、Suter A.、Sassa Y.、Sugiyama J.
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 21 ページ: 011025-011025
  • DOI: 10.7566/jpscp.21.011025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Li-Diffusion in Spinel Li[Ni1/2Mn3/2]O4 Powder and Film Studied with μ+SR (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Jun、Nozaki Hiroshi、Umegaki Izumi、Mukai Kazuhiko、Cottrell Stephen P.、Shiraki Susumu、Hitosugi Taro、Sassa Yasmine、Suter Andreas、Salman Zaher、Prokscha Thomas、Mansson Martin
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 21 ページ: 011015-011015
  • DOI: 10.7566/jpscp.21.011015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lithium diffusion in spinel Li4Ti5O12 and LiTi2O4 films detected with Li8β-NMR (2017)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Jun、Umegaki Izumi、Uyama Takeshi、McFadden Ryan M. L.、Shiraki Susumu、Hitosugi Taro、Salman Zaher、Saadaoui Hassan、Morris Gerald D.、MacFarlane W. Andrew、Kiefl Robert F.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 9 ページ: 094402-094402
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.094402
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication of atomically abrupt interfaces of single-phase TiH2 and Al2O3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryota Shimizu, Yuki Sasahara, Hiroyuki Oguchi, Kuniko Yamamoto, Issei Sugiyama, Susumu Shiraki, Shin-ichi Orimo, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: APL Materials 巻: ５ 号: 8 ページ: 086102-086102
  • DOI: 10.1063/1.4996984
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Scanning tunneling spectroscopy of superconductivity on surfaces of LiTi2O4(111) thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Okada, Yasunobu Ando, Ryota Shimizu, Emi Minamitani, Susumu Shiraki, Satoshi Watanabe, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: ８ 号: 1 ページ: 15975-15975
  • DOI: 10.1038/ncomms15975
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quasiparticle interference on cubic perovskite oxide surfaces (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Okada, S.-Y. Shiau, T.-R. Chang, G. Chang, M. Kobayashi, R. Shimizu, H.-T. Jeng, S. Shiraki, H. Kumigashira, A. Bansil, H. Lin, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: VOL. 119 号: 8 ページ: 086801-086801
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.086801
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Nonvolatile Memory Device with Very Low Power Consumption Based on the Switching of a Standard Electrode Potential (2017)
  • 著者名/発表者名: Issei Sugiyama, Ryota Shimizu, Tohru Suzuki, Kuniko Yamamoto, Hideyuki Kawasoko, Susumu Shiraki, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 5 号: 4 ページ: 046105-046105
  • DOI: 10.1063/1.4980031
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Self-assembly of very-low height/width aspect-ratio Li3Ni2NbO6 disks embedded in Li3NbO4 epitaxial films. (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kawasoko, R. Shimizu, Y. Takagi, K. Yamamoto, I. Sugiyama, S. Shiraki, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 621 ページ: 202-206
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2016.12.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transparent conducting properties of Re-doped β-MoO3 films (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuniko Yamamoto, Ryota Shimizu, Susumu Shiraki, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 4 号: 9 ページ: 096104-096104
  • DOI: 10.1063/1.4963154
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Li diffusion in (110)-oriented LiCoO2 thin films grown on Au and Pt (110) substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shiraki, H. Oki, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Surface and Interface Analysis 巻: 48 号: 11 ページ: 1240-1243
  • DOI: 10.1002/sia.6108
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Negligible Sr segregation on SrTiO3 (001) √13 x √13 reconstructed surfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeo Ohsawa, Ryota Shimizu, Katsuya Iwaya, Susumu Shiraki and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 108 号: 16 ページ: 161603-161603
  • DOI: 10.1063/1.4947441
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Preparation and in-situ characterization of well-defined solid electrolyte/electrode interfaces in thin-film lithium batteries (2016)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Haruta, Susumu Shiraki, Takeo Ohsawa, Tohru Suzuki, Akichika Kumatani, Yoshitaka Takagi, Ryota Shimizu, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 285 ページ: 118-121
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2015.06.007
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 全固体電池実用化に向けた大学での取組み (2018)
  • 著者名/発表者名: 白木将
  • 学会等名: とちぎ環境産業振興協議会・環境負荷低減技術研究部会
  • 招待講演
• [学会発表] 薄膜型全固体電池の作製とそのin-situ電気化学特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白木将
  • 学会等名: 2018年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Fabrication and In-Situ Characterization of All-Solid-State Thin-Film Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Shiraki
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • 国際学会
• [学会発表] 全固体薄膜電池作製・in-situ評価装置の構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白木将
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Electrochemical Properties of Li4Ti5O12 and LiTi2O4 Epitaxial Thin Films (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Shiraki, Y. Takagi, R. Shimizu, T. Hitosugi
  • 学会等名: 2018 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 真空・薄膜技術を活用した全固体リチウム電池研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白木将
  • 学会等名: 表面技術協会・表面技術とものづくり研究部会例会
  • 招待講演
• [学会発表] Fabrication and in-situ characterization of well-defined solid electrolyte/electrode interfaces in thin-film lithium batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Shiraki
  • 学会等名: The 3rd International Symposium on "Recent Trends in the Elucidation and Function Discovery of Next Generation Functional Materials of Surface / Interface Properties"
  • 国際学会
• [学会発表] 薄膜型全固体電池作製・in-situ評価装置の構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白木将
  • 学会等名: 平成30年度日本表面真空学会 九州支部学術講演会
• [学会発表] 薄膜型全固体リチウム電池の作製と表面界面研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白木将
  • 学会等名: 表面技術協会第135回講演大会
  • 発表場所: 東洋大学（埼玉）
  • 年月日: 2017-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] Ion conductivity at solid-electrolyte/electrode interface in all-solid-state Li batteries (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Shiraki
  • 学会等名: The 2nd international symposium on “Recent Trends in Analysis Techniques for Functional Materials and Devices
  • 発表場所: Osaka, Japan
  • 年月日: 2017-01-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 5V級正極LiNi0.5Mn1.5O4を用いた全固体薄膜電池の作製とその高速充放電特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白木将
  • 学会等名: 第6回酸化物研究の新機軸に向けた学際討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 5V級正極Li(Ni0.5Mn1.5)O4と固体電解質Li3PO4界面におけるイオン伝導特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白木将、河底秀幸、鈴木竜、清水亮太、一杉太郎
  • 学会等名: 九州表面・真空研究会2017
• [学会発表] 5V級正極LiNi0.5Mn1.5O4と固体電解質Li3PO4が形成する超低抵抗界面 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白木将、河底秀幸、鈴木竜、清水亮太、一杉太郎
  • 学会等名: 第58回電池討論会
• [学会発表] Very-Low Solid-Electrolyte/Electrode Interface Resistance in Li(Ni0.5Mn1.5)O4-Based Thin-Film Battery (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Shiraki, Hideyuki Kawasoko, Toru Suzuki, Ryota Shimizu, and Taro Hitosugi
  • 学会等名: The 5th Ito International Research Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochemical Properties of Li4Ti5O12 and LiTi2O4 epitaxial thin films synthesized with pulsed laser deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Shiraki, Yoshitaka Takagi, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi
  • 学会等名: 11th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’17 (ALC'17)
  • 国際学会
• [学会発表] 固体電解質/電極界面の界面抵抗発生起源の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 白木将、白澤徹郎、鈴木竜、河底秀幸、清水亮太、一杉太郎
  • 学会等名: 第42回固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知）
  • 年月日: 2016-12-05
• [学会発表] Very-low solid-electrolyte/electrode interface resistance in Li(Ni0.5Mn1.5)O4-based thin-film Lithium Battery (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shiraki, H. Kawasoko, T. Suzuki, R. Shimizu, T. Hitosugi
  • 学会等名: Prime2016
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] 固体電解質/電極界面の界面抵抗発生起源の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 白木将、白澤徹郎、鈴木竜、河底秀幸、清水亮太、一杉太郎
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] PLDで成膜したLi3PO4固体電解質/LiCoO2電極界面のイオン伝導 (2016)
  • 著者名/発表者名: 白木将、鈴木竜、河底秀幸，一杉太郎
  • 学会等名: 学術振興会マイクロビームアナリシス第141委員会第164回研究会
  • 発表場所: 堀場製作所（東京）
  • 年月日: 2016-05-24
• [学会発表] PLDで成膜したLi3PO4固体電解質/LiCoO2電極界面のイオン伝導 (2016)
  • 著者名/発表者名: (5)白木将、鈴木竜、河底秀幸、清水亮太、白澤徹郎、一杉太郎
  • 学会等名: 九州薄膜表面研究会
  • 発表場所: 九州大学（福岡）
• [図書] 全固体電池の基礎理論と開発最前線 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白木将、一杉太郎
  • 総ページ数: 271
  • 出版者: シーエムシー・リサーチ
  • ISBN: 9784904482513
• [図書] 全固体電池のイオン伝導性向上技術と材料、製造プロセスの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白木将、白澤徹郎、河底秀幸、一杉太郎
  • 総ページ数: 475
  • 出版者: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861046476
• [備考] 日本工業大学応用化学科固体電気化学研究室
  • URL: http://enjoy1.bb-east.ne.jp/~shiraki/
• [備考] 日本工業大学ブランディング事業「次世代動力源としての全固体電池技術の開発と応用」
  • URL: https://www.nit.ac.jp/education-research/branding.html
• [備考] 東工大、産業技術総合研究所、科学技術振興機構との共同研究により、全固体電池実現のネックを解明
  • URL: https://www.nit.ac.jp/topics/link/pdf_452.pdf
• [備考] 東工大、東北大との共同研究により、全固体電池で超高速充放電を実現
  • URL: https://www.nit.ac.jp/topics/link/pdf_407.pdf