全固体薄膜リチウム電池技術を応用したイオン・電子伝導分離に関する基礎研究

• 研究課題/領域番号: 24550206
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機能材料・デバイス
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 桑田 直明 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00396459)
• 連携研究者: 河村 純一 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (50142683)
• 研究協力者: 小林 哲郎 株式会社 豊田中央研究所, 環境・エネルギー2 部 固体イオニクス研究室, 室長
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2014年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2013年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2012年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 混合伝導体 / リチウムイオン電池 / イオン伝導度 / 拡散係数 / 全固体電池 / 電子ブロッキング電極 / ノンストイキオメトリ / パルスレーザー堆積法 / 交流インピーダンス / 固体電解質 / 正極材料 / 不定比性 / インピーダンススペクトル / 固体イオニクス / 全固体リチウム電池 / コバルト酸リチウム / 薄膜電池

研究成果の概要

正極薄膜のイオン伝導度を研究するために、薄膜電池技術を応用した電子ブロッキング電極を作製した。正極材料のイオン伝導度は全固体二次電池の性能を制限する本質的な因子である。電子ブロッキング電極は、固体電解質薄膜とリチウム薄膜を用いて作製した。正極材料として、コバルト酸リチウム薄膜のイオン・電子伝導度を明らかにした。さらに、化学的リチウム脱離法によりLi1-xCoO2薄膜を作製し、同手法を適用してイオン・電子伝導度を明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Fabrication of solid-state thin-film batteries using LiMnPO4 thin films deposited by pulsed laser deposition (2015)
  • 著者名/発表者名: Daichi Fujimoto, Naoaki Kuwata, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 579 ページ: 81-88
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2015.02.041
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrochemical effect of lithium tungsten oxide modification on LiCoO2 thin film electrode (2015)
  • 著者名/発表者名: Tetsutaro Hayashi, Jiro Okada, Eiji Toda, Ryuichi Kuzuo, Yasutaka Matsuda, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 285 ページ: 559-567
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.03.108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of thin-film lithium batteries with 5-V-class LiCoMnO4 cathodes (2014)
  • 著者名/発表者名: Naoaki Kuwata, Shota Kudo, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 262 ページ: 165-169
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.09.054
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nanoscale diffusion tracing by radioactive 8Li tracer (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Ishiyama, S.-C. Jeong, Y. Watanabe, Y. Hirayama, N. Imai, H. Miyatake, M. Oyaizu, I. Katayama, A. Osa, Y. Otokawa, M. Matsuda, K. Nishio, H. Makii, T. Sato, N. Kuwata, J. Kawamura, A. Nakao, H. Ueno, Y. H. Kim, S. Kimura, M. Mukai
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53 号: 11 ページ: 110303-110303
  • DOI: 10.7567/jjap.53.110303
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The study of the lithium ion motion in β-alumina single crystal by NMR spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Mohammed Tareque Chowdhury, Reiji Takekawa, Yoshiki Iwai, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 262 ページ: 482-485
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.10.022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of Lithium Borate and Lithium Silicate Thin-Films as a Solid Electrolyte for Thin-Film Battery (2014)
  • 著者名/発表者名: Haruka Itabashi, Naoaki Kuwata, Daichi Fujimoto, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura
  • 雑誌名: Proceedings of the 14th Asian Conference on Solid State Ionics (ACSSI 2014) 巻: 1 ページ: 587-594
  • DOI: 10.3850/978-981-09-1137-9_166
• [雑誌論文] Lithium ion diffusion in Li β-alumina single crystals measured by pulsed field gradient NMR spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Mohammed Tareque Chowdhury, Reiji Takekawa, Yoshiki Iwai, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
  • 雑誌名: The Journal of chemical physics 巻: 140 (12) 号: 12 ページ: 124509-124509
  • DOI: 10.1063/1.4869347
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preferential Adsorption of Solvents on the Cathode Surface of Lithium Ion Batteries (2013)
  • 著者名/発表者名: Le Yu, Huijin Liu, Yan Wang, Naoaki Kuwata, Masatoshi Osawa, Junichi Kawamura, Shen Ye
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: 125 (22) 号: 22 ページ: 5865-5868
  • DOI: 10.1002/ange.201209976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of Degradation in LiCoO2 Thin Films by in Situ Micro Raman Microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Naoaki Kuwata, Kazuki Ise, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura, Takao Tsurui, Osamu Kamishima
  • 雑誌名: Solid State Ionics: Ionics for Sustainable World-Proceedings of the 13th Asian Conference. 巻: 1 ページ: 138-143
  • DOI: 10.1142/9789814415040_0017
  • ISBN: 9789814439909, 9789814415040
• [雑誌論文] DETECTION OF DEGRADATION IN LiCoO2 THIN FILMS BY IN SITU MICRO RAMAN MICROSCOPY (2012)
  • 著者名/発表者名: Naoaki Kuwata, Kazuki Ise, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura, Takao Tsurui, Osamu Kamishima
  • 雑誌名: Proceedings of the 13th Asian Conference on Solid State Ionics, Ionics for Sustainable World 巻: 2012 ページ: 138-143
• [学会発表] 高電位正極を用いた全固体薄膜リチウム電池の作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 桑田 直明, 藤本 大地, 工藤 将太, 松田 康孝, 河村 純一
  • 学会等名: 第55回 電池討論会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2014-11-19 – 2014-11-21
• [学会発表] LiCoO2薄膜電極の表面修飾における電気化学的効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林徹太郎, 戸田英二, 西尾仁志, 松田康孝, 桑田直明, 河村純一
  • 学会等名: 2014年電気化学秋季大会
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 2014-09-27 – 2014-09-28
• [学会発表] 薄膜型固体電池の研究開発：5V級正極材料への適用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 桑田直明
  • 学会等名: 光機能材料研究会 第 49回講演会, 次世代2次電池・太陽電池の材料開発と最新技術
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-09-19
  • 招待講演
• [学会発表] ホウ酸リチウム薄膜を固体電解質として用いた薄膜電池の特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 板橋春佳, 松田康孝, 桑田直明, 河村純一
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 愛知
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Solid-State Thin-Film Batteries with 5-V-Class Cathode Materials (2014)
  • 著者名/発表者名: Naoaki Kuwata, Shota Kudo, Daichi Fujimoto, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura
  • 学会等名: 14th Asian Conference on Solid State Ionics (ACSSI-2014)
  • 発表場所: Singapore, Singapore
  • 年月日: 2014-06-24 – 2014-06-27
• [学会発表] Characterization of Lithium Borate and Lithium Silicate Thin-Films as a Solid Electrolyte for Thin-Film Battery (2014)
  • 著者名/発表者名: Haruka Itabashi, Naoaki Kuwata, Daichi Fujimoto, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura
  • 学会等名: 14th Asian Conference on Solid State Ionics (ACSSI-2014)
  • 発表場所: Singapore, Singapore
  • 年月日: 2014-06-24 – 2014-06-27
• [学会発表] 5V級正極LiCoMnO4を用いた薄膜リチウム電池 (2013)
  • 著者名/発表者名: 桑田 直明
  • 学会等名: 第9回固体イオニクスセミナー
  • 発表場所: 下呂市
  • 招待講演
• [学会発表] FABRICATION OF THIN-FILM LITHIUM BATTERY WITH 5V CLASS CATHODE LiCoMnO4 (2013)
  • 著者名/発表者名: Naoaki Kuwata, Shota Kudo, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura
  • 学会等名: The 19th International Conference on Solid State Ionics
  • 発表場所: Kyoto, Japan
• [学会発表] SEPARATION OF ELECTRONIC AND IONIC CONDUCTIVITY IN LiCoO2 CATHODE BY AC IMPEDANCE ANALYSIS (2013)
  • 著者名/発表者名: Erika Oki, Daichi Fujimoto, Yasutaka Matsuda, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
  • 学会等名: 6th Lithium Battery Discussion (LiBD-6 2013) – “Electrode Materials”
  • 発表場所: Arcachon, France
• [学会発表] Thin-film Lithium Battery with Amorphous Oxide Anode Fabricated by Pulsed Laser Deposition (2013)
  • 著者名/発表者名: Taku Yoshida, Yasutaka Matsuda, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
  • 学会等名: The 7th Asian Conference on Electrochemical Power Sources (ACEPS-7)
  • 発表場所: Osaka, Japan
• [学会発表] ５V級正極LiCoMnO4を用いた薄膜リチウム電池 (2013)
  • 著者名/発表者名: 桑田直明, 工藤将太, 松田康孝, 河村純一
  • 学会等名: 第63回 固体イオニクス研究会，第16回超イオン導電体物性研究会
  • 発表場所: 日立市
• [学会発表] 透明電極を利用した全固体薄膜電池のin situ顕微ラマン分光 (2013)
  • 著者名/発表者名: 桑田直明, 大川竜徳, 松田康孝, 河村純一
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島市
• [学会発表] Diffusion Coefficient Measurement of Lithium Ion in β-Alumina Single Crystal by Pulsed Field Gradient NMR Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: M.T. Chowdhury, R. Takekawa, Y. Iwai, N. Kuwata, J. Kawamura
  • 学会等名: 第39回 固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 熊本市
• [学会発表] SEPARATION OF ELECTRONIC AND IONIC CONDUCTIVITY IN LiCoO2 CATHODE BY AC IMPEDANCE ANALYSIS (2012)
  • 著者名/発表者名: Daichi Fujimoto, Erika Oki, Yasutaka Matsuda, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura, Tetsuro Kobayashi, Takahiko Asaoka
  • 学会等名: 13th Asian Conference on Solid State Ionics (ACSSI-2012)
  • 発表場所: Sendai, Japan
• [学会発表] DETECTION OF DEGRADATION IN LiCoO2 THIN FILMS BY IN SITU RAMAN MICROSCOPY (2012)
  • 著者名/発表者名: Naoaki Kuwata, Kazuki Ise, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura, Takao Tsurui, Osamu Kamishima
  • 学会等名: 13th Asian Conference on Solid State Ionics (ACSSI-2012)
  • 発表場所: Sendai, Japan
• [学会発表] 正極薄膜LiCoO2のLi脱離とそのイオン伝導度測定 (2012)
  • 著者名/発表者名: 沖 英里香, 藤本大地, 松田康孝, 桑田直明, 河村純一
  • 学会等名: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜
• [学会発表] In-situ顕微ラマン分光法によるLiMn2O4薄膜のリチウム挿入脱離反応の研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 大川 竜徳, 伊勢 一樹, 松田 康孝, 桑田 直明, 河村 純一
  • 学会等名: 第38回 固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] 薄膜リチウム電池の作製とin situ測定
  • 著者名/発表者名: 桑田 直明
  • 学会等名: 第25回 GREENオープンセミナー
  • 発表場所: つくば
  • 招待講演
• [図書] 高性能リチウムイオン電池開発最前線 5V級正極材料開発の現状と高エネルギー密度化への挑戦,第1編 高性能蓄電池開発のための基盤研究、第4章 リチウムイオン電池の in situ 劣化診断技術と高密度・高電圧蓄電池への応用 (2013)
  • 著者名/発表者名: 河村 純一, 桑田 直明, 岩井 良樹, 水崎 純一郎, 佐藤 一永, 叶 深
  • 出版者: エヌ・ティー・エス