| 研究課題/領域番号 |
21K04635
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 一般財団法人ファインセラミックスセンター |
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研究代表者 |
幾原 裕美 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主任研究員 (80450849)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | リチウムイオン電池 / 固体電解質 / 薄膜 / 化学溶液法 / 欠陥 / 充放電 / 電子顕微鏡 / 正極 / ナノ構造解析 / 結晶構造解析 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
全固体型リチウムイオン電池は，不燃性の固体電解質を用いるため，安全性が高く，高電位正極材料との複合化が可能となるため高容量化が期待されている。全固体電池の開発においては，固体電解質のイオン伝導度の向上，固体電解質内部の粒界抵抗の低減，また，固体電解質と電極界面における抵抗の低減などの構造設計が必須の課題である．本研究では，新規に開発した前駆体溶液法により固体電解質薄膜を作製し，薄膜内部の構造や電極－電解質異相界面を解析することで，イオン伝導メカニズムや界面抵抗支配因子などを明らかにし，最適プロセス条件を抽出することによって，高性能固体電解質薄膜の設計指針を得る。
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| 研究実績の概要 |
全固体型リチウムイオン電池は，有機電解液を用いない不燃性の固体電解質を用いるため，安全性が高く，高電位正極材料との複合化が可能となるため高容量化が期待されている次世代電池である．全固体リチウムイオン電池の開発においては，固体電解質のイオン伝導度の向上，固体電解質内部の粒界抵抗の低減，また，固体電解質と電極界面における抵抗の低減などの構造設計が課題である．酸化物固体電解質において、イオン伝導性は，結晶構造や，結晶方位，粒界，界面，格子欠陥など原子レベルの構造に大きく影響される．本研究では、前駆体を利用した化学溶液法により酸化物固体電解質薄膜や電極膜を作製し、薄膜内部の粒界や格子欠陥などの内部構造を原子レベルで明らかにし構造変位，欠陥構造の形成メカニズムを解明することで，高イオン伝導や低抵抗界面実現のために最適な内部構造，基板-固体電解質界面設計指針を確立する．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
化学溶液法により調製した前駆体溶液を用いて固体電解質や正極の前駆体を作製し、その焼成温度と結晶性について評価した。さらに、前駆体溶液を用いて、モデル基板に製膜し焼成することで、薄膜の結晶化条件を検討した。
作製したLiMn2O4配向正極膜について、有機電解液を利用した場合の充放電による正極膜内部および表面の構造変化による劣化メカニズムについて解析を行った。その結果、充電の繰り返しにより、正極膜内に積層欠陥が形成し、膜内での抵抗が大きくなることを明らかした。また、固体電解質モデル基板上に、LiMn2O4正極膜を成膜し、成膜条件や焼成条件と成膜性について評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
結晶性の優れた固体電解質単結晶薄膜を作製するために、最適プロセス条件（前駆体混合比，配合化学組成，基板種類，昇温速度，温度、焼成雰囲気）を見出す。また、基板と固体電解質の結晶面の整合性についても評価する。さらに、作製した固体電解質薄膜の内部構造や格子欠陥の形成などによるイオン伝導発現機構を明らかにするために，その原子構造や電子状態を計測・評価する必要がある．そこで，STEMを用いた原子直視観察，ナノ電子プローブを用いた局所組成分析（エネルギー分散型Ｘ線分光法：EDS）や状態分析（電子エネルギー損失分光法：EELS）など微細構造解析を行い，各試料の微細構造，元素分布，価数，界面など格子欠陥の電子状態を明らかにする．その際，得られた知見を基に高性能固体電解質の設計指針を確立するとともにこれをプロセス条件へフィードバックする。
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