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全固体電池の高性能化に向けた電極界面の解析と構築

研究課題

研究課題/領域番号 17J09397
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 無機材料・物性
研究機関大阪府立大学

研究代表者

乙山 美紗恵  大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2017年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワードバルク型全固体電池 / 電極複合体 / 硫化物固体電解質 / 熱的安定性 / その場顕微鏡観察 / 構造解析 / 硫化物系固体電解質 / 熱安定性 / 反応分布
研究実績の概要

これまで、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC)正極活物質と硫化物固体電解質からなる正極複合体における、活物質に対する電解質の熱的安定性を調べてきた。そこで、従来用いられてきたLi3PS4 (LPS)電解質よりも、Li4SnS4 (LSS)電解質を用いたほうが、加熱時の分解反応が生じにくく、高い熱的安定性を示すことを明らかにしてきた。LSS電解質は熱処理により、導電率が向上するが、成形性が低下することが課題として挙げられる。そこで、NMC-LSS複合体層を電解質層とともにペレット化し、それを焼成することで、複合体中のLSS電解質の緻密性を損なわずに焼成できることを見出した。さらに、この方法で作製した全固体電池は、他の焼成方法で作製した場合と比較して、最も高い充放電サイクル特性を示した。
また、室温で初回充電させた電池から正極複合体を採取して加熱したところ、LSS電解質を用いたほうが、LPS電解質よりも分解反応がより高温で生じたことから、充電状態においても高い熱的安定性を示すことを明らかにしてきた。SEM-EDX観察より、450℃で熱処理した複合体における分解生成物の分布を調べたところ、LSS電解質では、電解質由来のSnとSが重なっている部分が残っており、充電状態で加熱しても完全に分解していないことを明らかにした。
黒鉛負極にLiが挿入すると色が段階的に変化することを利用して、黒鉛負極複合体に対して、充放電しながらその場で光学顕微鏡観察を行った。約70 kPaの拘束圧をかけると、充放電サイクルを重ねるごとに容量が低下し、電池反応に寄与できる活物質が制限されていたが、約1 MPaの拘束圧をかけると、容量が低下せず、より可逆的に反応が進行することがわかった。また、黒鉛負極の体積変化による電極の厚み変化もより可逆的であることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2020 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 1件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 6件)

  • [雑誌論文] Operando Confocal Microscopy for Dynamic Changes of Li+ Ion Conduction Path in Graphite Electrode Layers of All-Solid-State Batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Otoyama Misae、Kowada Hiroe、Sakuda Atsushi、Tatsumisago Masahiro、Hayashi Akitoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 11 号: 3 ページ: 900-904

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.9b03456

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanochemical synthesis of cubic rocksalt Na<sub>2</sub>TiS<sub>3</sub> as novel active materials for all-solid-state sodium secondary batteries2019

    • 著者名/発表者名
      NASU Akira、OTOYAMA Misae、SAKUDA Atsushi、HAYASHI Akitoshi、TATSUMISAGO Masahiro
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 127 号: 8 ページ: 514-517

    • DOI

      10.2109/jcersj2.19086

    • NAID

      130007686967

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2019-08-01
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Amorphous Na<sub>2</sub>TiS<sub>3</sub> as an Active Material for All-solid-state Sodium Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      Nasu Akira、Otoyama Misae、Sakuda Atsushi、Hayashi Akitoshi、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 48 号: 3 ページ: 288-290

    • DOI

      10.1246/cl.180895

    • NAID

      130007607772

    • ISSN
      0366-7022, 1348-0715
    • 年月日
      2019-03-05
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ex situ investigation of exothermal behavior and structural changes of the Li3PS4- LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 electrode composites2019

    • 著者名/発表者名
      Atarashi Atsuki、Tsukasaki Hirofumi、Otoyama Misae、Kowada Hiroe、Mori Shigeo、Hayashi Akitoshi、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 342 ページ: 115046-115046

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2019.115046

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis and Electrochemical Activity of Some Na(Li)-Rich Ruthenium Oxides with the Feasibility to Stabilize Ru6+2019

    • 著者名/発表者名
      Otoyama Misae、Jacquet Quentin、Iadecola Antonella、Saubanere Matthieu、Rousse Gwenaelle、Tarascon Jean-Marie
    • 雑誌名

      Advanced Energy Materials

      巻: 印刷中 号: 15 ページ: 1803674-1803674

    • DOI

      10.1002/aenm.201803674

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Crystallization behavior of the Li2S-P2S5 glass electrolyte in the LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 positive electrode layer2018

    • 著者名/発表者名
      Tsukasaki Hirofumi、Mori Yota、Otoyama Misae、Yubuchi So、Asano Takamasa、Tanaka Yoshinori、Ohno Takahisa、Mori Shigeo、Hayashi Akitoshi、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 号: 1 ページ: 6214-6214

    • DOI

      10.1038/s41598-018-24524-7

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optical microscopic observation of graphite composite negative electrodes in all-solid-state lithium batteries2018

    • 著者名/発表者名
      Otoyama Misae、Sakuda Atsushi、Hayashi Akitoshi、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 323 ページ: 123-129

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2018.04.023

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanochemical Synthesis and Characterization of Metastable Hexagonal Li4SnS4 Solid Electrolyte2018

    • 著者名/発表者名
      Kanazawa Kento、Yubuchi So、Hotehama Chie、Otoyama Misae、Shimono Seiya、Ishibashi Hiroki、Kubota Yoshiki、Sakuda Atsushi、Hayashi Akitoshi、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Inorganic Chemistry

      巻: 57 号: 16 ページ: 9925-9930

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.8b01049

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of structural and thermal stability in the positive electrode for sulfide-based all-solid-state lithium batteries2017

    • 著者名/発表者名
      Tsukasaki Hirofumi、Otoyama Misae、Mori Yota、Mori Shigeo、Morimoto Hideyuki、Hayashi Akitoshi、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 367 ページ: 42-48

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2017.09.031

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrochemical and structural evaluation for bulk-type all-solid-state batteries using Li 4 GeS 4 -Li 3 PS 4 electrolyte coating on LiCoO 2 particles2017

    • 著者名/発表者名
      Ito Yusuke、Otoyama Misae、Hayashi Akitoshi、Ohtomo Takamasa、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 360 ページ: 328-335

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2017.05.112

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] バルク型全固体電池におけるLi4SnS4固体電解質を用いた正極複合体の熱安定性と電池特性2019

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      化学電池材料研究会第21回ミーティング
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Operando Optical Microscopic Observation for Graphite Negative Electrode Layers in All-Solid-State Lithium Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      M. Otoyama, H. Kowada, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Materials for Advanced Technologies and International Union of Materials Research Societies - International Conference in Asia (ICMAT2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 全固体電池におけるLi4SnS4固体電解質を用いた正極複合体の熱安定性と電池特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      化学電池材料研究会第44回講演会・夏の学校
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高い熱安定性を有するLi4SnS4電解質の全固体電池への応用2019

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      電気化学会関西支部・東海支部合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] リチウム金属負極を用いた全固体セルのX線CTによる内部観察2019

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・須山 元嗣・保手浜 千絵・小和田 弘枝・武田 佳彦・伊藤 幸一郎・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      第60回電池討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Operando Optical Microscopy for Graphite Negative Electrode Layers in All-Solid-State Lithium Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      M. Otoyama, H. Kowada, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • 学会等名
      International Battery Association 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 全固体リチウム電池におけるLi4SnS4固体電解質を用いた正極複合体の熱安定性評価2019

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・由淵 想・作田 敦・林 晃敏・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      電気化学会第86回大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] In-situ Optical Microscopy for Graphite Negative Electrode Layers in All-Solid-State Lithium Batteries2018

    • 著者名/発表者名
      M. Otoyama, H. Kowada, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • 学会等名
      The 19th International Meeting on Lithium Batteries
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Raman Imaging for LiCoO2 Electrode Layers in All-Solid-State Lithium Batteries to Analyze Reaction Distributions2018

    • 著者名/発表者名
      M. Otoyama, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • 学会等名
      12th Japan-France Joint Seminar on Batteries
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] In-situ Optical Microscopy for Cross-sectional Graphite Negative Electrode Layers in All-Solid-State Lithium Batteries2018

    • 著者名/発表者名
      M. Otoyama, H. Kowada, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • 学会等名
      10th Kyoto International Forum for Environment and Energy symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 全固体電池における黒鉛負極層断面のオペランド顕微鏡観察2018

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・小和田弘枝・作田 敦・林 晃敏・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      第59回電池討論会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] バルク型全固体リチウム電池における黒鉛負極層のその場顕微鏡観察2018

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・小和田弘枝・作田 敦・林 晃敏・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      電気化学会第85回大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Evaluation of Reaction Distributions in Composite Positive Electrode Layers of All-Solid-State Lithium Batteries by Raman Imaging2018

    • 著者名/発表者名
      M. Otoyama, A. Sakuda, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • 学会等名
      日本化学会第98春季年会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Na2S-TiS2系正極活物質の開発と全固体ナトリウム二次電池への応用2018

    • 著者名/発表者名
      作田 敦・奈須 滉・乙山美紗恵・林 晃敏・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      日本化学会第98春季年会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Optical Microscopic Observation of Graphite Composite Negative Electrodes in All-Solid-State Lithium Batteries2017

    • 著者名/発表者名
      M. Otoyama, A. Hayashi, M. Tatsumisago
    • 学会等名
      21st International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 顕微鏡観察を用いた全固体リチウム電池における黒鉛負極複合体の反応分布評価2017

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵・作田 敦・林 晃敏・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      第12回日本セラミックス協会関西支部学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 硫化物固体電解質を用いた全固体リチウム電池における黒鉛負極複合体の顕微鏡観察2017

    • 著者名/発表者名
      乙山美紗恵
    • 学会等名
      日本化学会電気化学ディビジョン化学電池材料研究会第40回講演会・夏の学校
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 正極-固体電解質界面付近におけるLi2S-P2S5系ガラス電解質の結晶化挙動2017

    • 著者名/発表者名
      森 要太・塚崎裕文・乙山美紗恵・森 茂生・林 晃敏、辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      第58回電池討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

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公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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