全固体薄膜2次電池材料の作製とそのin-situ物性評価

• 研究課題/領域番号: 25390072
• 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: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 白木 将 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (80342799)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2015年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2014年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2013年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 表面界面 / 薄膜 / リチウム電池 / イオン伝導 / 表面・界面 / リチウムイオン2次電池 / エピタキシャル薄膜 / パルスレーザー堆積法

研究成果の概要

全固体リチウム電池は、安全性や高容量、高出力の観点から電解液を用いた現行の電池に代わる次世代の蓄電池として期待されているが、電解質/電極界面における高い界面抵抗が実用化への大きな課題となっている。本研究では、正極、負極、固体電解質の薄膜を積層して薄膜型の全固体電池を作製し、非常に低い界面抵抗を得ることに成功した。固体電解質薄膜の成膜条件によって界面抵抗が大きく変化することから、成膜時の電極表面へのダメージを減らすことが界面抵抗低減の鍵であることが分かった。この結果は、界面形成プロセスの工夫により、高い界面抵抗の起源と考えられていた空間電荷層の影響を無視できるほど小さくできることを示唆している。

研究成果

• [雑誌論文] Orientation control of LiCoO2 epitaxial thin films on metal substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: Susumu Shiraki, Yoshitaka Takagi, Ryota Shimizu, Tohru Suzuki, Masakazu Haruta, Yukio Sato, Yuichi Ikuhara and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 600 ページ: 175-178
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2016.01.032
  • 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
• [雑誌論文] Li-ion diffusion in Li4Ti5O12 and LiTi2O4 battery materials detected by muon-spin spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun Sugiyama, Hiroshi Nozaki, Izumi Umegaki, Kazuhiko Mukai, Kazutoshi Miwa, Susumu Shiraki, Taro Hitosugi, , Andreas Suter, Thomas Prokscha, Zaher Salman, James S. Lord, and Martin Mansson
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 92 号: 1 ページ: 014417-014417
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.014417
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Negligible “negative space-charge layer effects” at oxide-electrolyte/electrode interfaces of thin-film batteries (2015)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Haruta, Susumu Shiraki, Tohru Suzuki, Akichika Kumatani, Takeo Ohsawa, Yoshitaka Takagi, Ryota Shimizu, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 15 号: 3 ページ: 1498-1502
  • DOI: 10.1021/nl5035896
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 極めて低い電解質/電極界面抵抗を有する全固体リチウム電池の作製 -液体電解質系リチウムイオン電池を凌駕する高速充放電に向けて- (2015)
  • 著者名/発表者名: 春田正和、白木将、一杉太郎
  • 雑誌名: 自動車技術 巻: 69 ページ: 120-121
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 全固体リチウム電池の酸化物電解質/電極界面におけるイオン伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 春田正和、白木将、一杉太郎
  • 雑誌名: エネルギーデバイス 巻: 2 ページ: 42-45
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 応用物理学的アプローチを活用した全固体Li電池研究：電極/電解質界面抵抗の低減に向けた界面研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将、春田正和、河底秀幸、一杉太郎
  • 雑誌名: 応用物理学会分科会誌M&BE 巻: 26 ページ: 212-217
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fabrication of all-solid-state battery using epitaxial LiCoO2 thin films (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Shiraki, H. Oki, Y. Takagi, T. Suzuki, A. Kumatani, R. Shimizu, Masakazu Haruta, T. Ohsawa, Y. Sato, Y. Ikuhara, and T. Hitosugi
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 267 ページ: 881-887
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.05.133
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Epitaxial growth of Li4Ti5O12 thin films using RF magnetron sputtering (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Kumatani, S. Shiraki, Y. Takagi, T. Suzuki, T. Ohsawa, X. Gao, Y. Ikuhara, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53 号: 5 ページ: 123103-123103
  • DOI: 10.7567/jjap.53.058001
  • NAID: 210000143760
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bottom-Up Graphene-Nanoribbon Fabrication Reveals Chiral Edges and Enantioselectivity (2014)
  • 著者名/発表者名: Han, P.; Akagi, K.; Canova, F. F.; Mutoh, H.; Shiraki, S.; Iwaya, K.; Weiss,P. S.; Asao, N.; Hitosugi, T.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 8 号: 9 ページ: 9181-9187
  • DOI: 10.1021/nn5028642
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial thin film growth of LiH using a liquid-Li atomic template (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Oguchi, T. Ikeshoji, T. Ohsawa, S. Shiraki, H. Kuwano, S.Orimo, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 105 号: 21
  • DOI: 10.1063/1.4902446
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Atomic-scale investigations of perovskite oxide heteroepitaxy (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Ohsawa, R. Shimizu, K. Iwaya, S. Shiraki, and T. Hitosugi
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Jpn. 巻: 122 ページ: 456-459
  • NAID: 130004480270
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial growth process of La_<0.7>Ca_<0.3>MnO_3 Thin Films on SrTiO_3(001) : Thickness-Dependent Inhomogeneity Caused by Excess Ti Atoms (2014)
  • 著者名/発表者名: Ryota Shimizu, et al.
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 14 号: 4 ページ: 1555-1560
  • DOI: 10.1021/cg4013119
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antiphase inversion domains in lithium cobaltite thin films deposited on single-crystal sapphire substrates (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Zheng, C. A. Fisher, T. Hitosugi, A. Kumatani, S. Shiraki, Y. H. Ikuhara, A. Kuwabara, H. Moriwake, H. Oki, and Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 61 ページ: 7671-7678
  • 査読あり
• [雑誌論文] Capability of Insulator Study by Photoemission Electron Microscopy at SPring-8 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Ohkochi, M. Kotsugi, K. Yamada, K. Kawano, K. Horiba, F. Kitajima, M. Oura, S. Shiraki, T. Hitosugi, M. Oshima, T. Ono, T. Kinoshita, T. Muro, and Y. Watanabe
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 20 ページ: 620-625
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of atomic collisions on the stoichiometry of thin films prepared by pulsed laser deposition (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Packwood, S. Shiraki, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 11
  • 査読あり
• [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、清水 亮太、白澤 徹郎、一杉 太郎
  • 学会等名: 電気化学会第83回大会
  • 発表場所: 大阪大学(大阪府・吹田市)
  • 年月日: 2016-03-29
• [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、清水 亮太、白澤 徹郎、一杉 太郎
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学(東京都・目黒区)
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Fabrication and Electrochemical Characterization of All-Solid-State Thin Film Lithium-Ion Batteries (2016)
  • 著者名/発表者名: Susumu Shiraki, Hideyuki Kawasoko, Toru Suzuki, Ryota Shimizu and Taro Hitosugi
  • 学会等名: The AIMR International Symposium 2016
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2016-02-22
  • 国際学会
• [学会発表] 全固体薄膜電池における電極/電解質界面におけるイオン伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将、春田正和, 河底秀幸, 鈴木竜, 清水亮太, 一杉太郎
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2015
  • 発表場所: 国立女性教育会館（埼玉県・比企郡）
  • 年月日: 2015-11-27
• [学会発表] 全固体リチウムイオン電池の酸化物電解質/電極界面におけるイオン伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将，春田正和，鈴木竜，清水亮太，河底秀幸，一杉太郎
  • 学会等名: 第56回電池討論会
  • 発表場所: 愛知県産業労働センターウインクあいち（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2015-11-11
• [学会発表] Ion conductivity at solid-electrolyte/electrode interface in all-solid-state batteries (2015)
  • 著者名/発表者名: Susumu Shiraki, Masakazu Haruta, Tohru Suzuki, Ryota Shimizu, Hideyuki Kawasoko and Taro Hitosugi
  • 学会等名: 10th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices (ALC15)
  • 発表場所: くにびきメッセ（島根県・島根市）
  • 年月日: 2015-10-25
  • 国際学会
• [学会発表] PLDで成膜したLi3PO4固体電解質とLiCoO2電極界面のイオン伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木 将, 鈴木 竜, 河底 秀幸, 清水 亮太, 一杉 太郎
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] 全固体リチウムイオン電池の酸化物電解質/電極界面におけるイオン伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将，春田正和，鈴木竜，清水亮太，河底秀幸，一杉太郎
  • 学会等名: 九州表面・真空研究会2015
  • 発表場所: 九州工業大学（福岡県・北九州市）
  • 年月日: 2015-06-13
• [学会発表] 全固体リチウム電池の酸化物電解質/電極界面におけるイオン伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将、春田正和，鈴木竜，高木由貴，清水亮太，一杉太郎
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学（神奈川）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 全固体リチウム電池の酸化物電解質/電極界面におけるイオン伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将、春田正和，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159回研究会
  • 発表場所: 成蹊大学（東京）
  • 年月日: 2015-02-19 – 2015-02-20
• [学会発表] LiCoO2エピタキシャル薄膜の配向制御と電気化学評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 白木将，高木由貴，春田正和，清水亮太，鈴木竜，佐藤幸生，幾原雄一，一杉太郎
  • 学会等名: 2014年電気化学秋季大会・第57回化学センサ研究発表会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道）
  • 年月日: 2014-09-27 – 2014-09-28
• [学会発表] 金属単結晶基板上に成膜したLiCoO2エピタキシャル薄膜の配向制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: 白木将，高木由貴，春田正和，清水亮太，鈴木竜，佐藤幸生，幾原雄一，一杉太郎
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 金属単結晶基板上に成膜したLiCoO2薄膜の構造と電気化学評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 白木将，高木由貴，春田正和，清水亮太，鈴木竜，佐藤幸生，幾原雄一，一杉太郎
  • 学会等名: 九州表面・真空研究会2014
  • 発表場所: 福岡教育大学（福岡）
  • 年月日: 2014-06-07
• [学会発表] Fabrication of all-solid-state battery using epitaxial LiCoO2 thin films (2013)
  • 著者名/発表者名: Susumu SHIRAKI, Yoshitaka Takagi, Hideki Oki, Akichika Kumatani, Ryota Shimizu, Toru Suzuki, Masakazu Haruta, Takeo Ohsawa, Yukio Sato, Yuichi Ikuhara and Taro Hitosugi
  • 学会等名: 9th international symposium on atomic level characterizations for new materials and evices '13
  • 発表場所: Hawaii, USA
• [学会発表] 金属単結晶基板上に成膜したLiCoO2エピタキシャル薄膜の構造評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 白木将、高木由貴、熊谷明哉、清水亮太、鈴木竜、春田正和、大澤健男、佐藤 幸生、幾原雄一、一杉太郎
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学（京都府）
• [図書] LiBの高容量・高耐久化のための電極-電解液(質)の界面制御技術と解析・評価法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将、春田正和、一杉太郎
  • 総ページ数: 350
  • 出版者: 技術情報協会
• [図書] LiBの高容量・高耐久化のための電極-電解液（質）の界面制御技術と解析・評価法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白木将ほか
  • 総ページ数: 350
  • 出版者: 技術情報協会出版
• [図書] マイクロビームアナリシス・ハンドブック (2014)
  • 著者名/発表者名: 白木将ほか
  • 総ページ数: 736
  • 出版者: オーム社
• [図書] 問題と解説で学ぶ表面科学 (2013)
  • 著者名/発表者名: 白木将ほか
  • 総ページ数: 208
  • 出版者: 共立出版
• [備考] 全固体電池において、極めて低い電極／電解質界面抵抗を実現
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2015/20150303_000542.html
• [備考] 全固体リチウム電池: 高品質の界面を実現する
  • URL: http://research.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jpn/research/924
• [備考] ジグザク型グラフェンナノリボンの作製に成功
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news//2014/20140910_000494.html
• [備考] 高品質リチウムイオン電池開発に新指針
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2013/20130711_000395.html
• [産業財産権] 記憶セル及び記憶回路 (2015)
  • 発明者名: 一杉太郎, 白木将, 鈴木竜
  • 権利者名: 一杉太郎, 白木将, 鈴木竜
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2015-05-18