| 研究課題/領域番号 |
17K06846
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| 研究機関 | 名城大学 |
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研究代表者 |
土屋 文 名城大学, 理工学部, 教授 (90302215)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | リチウム酸化物 / リチウムイオン二次電池 / リチウムイオン移動機構 / 飛行時間型反跳粒子法 / リチウム蓄積量その場測定 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、飛行時間型反跳粒子検出(ToF-ERD)法を用いて、印加電圧に対する全固体Li+イオン二次電池試料内のLi濃度分布の変化を計測するとともに、全固体Li+イオン二次電池試料内におけるLi+イオン移動機構の解明を目的とした。
初めに、パルスレーザー堆積法およびマグネトロンスパッタリング法による蒸着装置を用いて、全固体Li+イオン二次電池(Au/LiCoO2/LATP/Pt)試料を作製した。次に、作製した試料に1.80 Vおよび2.20 Vの電圧を15分間印加して平衡状態に達することを確認した後、9 MeVのCu10+イオンビームを用いたToF-ERD法を利用して、試料内のLi濃度分布を測定した。
ToF-ERD測定の結果から、1.80および2.20 Vのそれぞれの電圧が印加された試料のAu電極側では、LiCoO2正極中のLi濃度はどの深さに対しても一様に約35%程度(LixCoO2：x=0.65)および約70%程度(LixCoO2：x=0.30)減少した。また、LiCoO2/LATP界面付近では、Liの濃度勾配がLATP側に生じることがわかった。この濃度勾配の厚さは電圧に依存せず、LiCoO2/LATP界面から約80±5 nmであった。他方、1.80 Vの電圧が印加された試料のPt電極側では、2種類のLiの濃度勾配がLATP/Pt界面から0～50 nmおよび50～200 nmの領域に生じ、LATP/Pt界面付近のLi濃度は、電圧印加前のLi濃度に対して、約1.3倍まで増加した。これらの結果より、LiCoO2のLi+イオンが充電時にLATP/Pt界面付近に形成されるその場負極(LixTiy(PO4)3)へ駆動されるLi+イオン移動機構モデルが提案された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
ToF-ERD用イオンビーム分析装置および既存の電気化学測定装置を用いて、室温において全固体リチウムイオン二次電池に1.8 Vおよび2.2 Vの各印加電圧で15分間保持しながらリチウムイオン二次電池の電極に流れる電流値を正確に計測すると同時に、LiCoO2正極およびLATP固体電解質界面近傍のリチウム濃度変化をその場で測定することで、リチウムイオン移動量と電気特性との関連性を明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度から令和元年度に作製した全固体リチウムイオン二次電池、試料ホルダーおよびToF-ERD用イオンビーム分析装置を利用して、LATP固体電解質内に形成されたその場LixTiy(PO4)3負極からLiCoO2正極への電位勾配により駆動されて流されるリチウムイオンの流量をその場で測定するとともに、電気化学測定装置を用いて計測する電流値と比較し、放電時のリチウムイオン移動量と電気特性との関連性を調べる。
さらに、第一原理計算により、LiCoO2正極および固体電解質界面近傍のリチウムの蓄積占有位置およびリチウムイオンの移動軌跡を調べ、ToF-ERD法によって得られた実験データを解析してリチウムイオンの移動機構を明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和元年度の全固体リチウムイオン二次電池作製およびリチウム濃度分布測定において、予算を執行すること無しに既存の装置をある程度そのままの状態で利用して研究を遂行することができた。
本研究において得られた研究成果を日本金属学会、イオニクス討論会、プロトンおよびイオン伝導体、エネルギー・環境に関する国内および国外の学術講演会や国際会議において口頭およびポスター発表を実施するとともに、論文を作成して学術雑誌に投稿する予定である。
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