全固体リチウムイオン二次電池の充放電時におけるリチウムイオン移動機構の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K06846
• 研究機関: 名城大学
• 研究代表者: 土屋 文 名城大学, 理工学部, 教授 (90302215)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2023-03-31
• 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 / その場測定 / リチウム蓄積量

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。
9 MeVのCu10+イオンプローブビームによるToF-ERD法を用いて、1.80 および2.20 Vまでの各充電圧時における全固体リチウムイオン二次電池Au/LiCoO2/LATP/Pt試料のAu/LiCoO2/LATP中に存在するHおよびLiの濃度分布の変化をその場で測定した。LiCoO2中のAu側から約30 nmの領域のLi濃度はどの深さに対しても充電による電圧の増加により一様に減少するが、LATP側の約30 nmの領域のLi濃度はAu側のLi濃度より高くなることがわかった。また、LiCoO2/LATP界面から約170 nmの領域のLATP中のLi濃度は減少し、その空間電荷層の厚みは約170 nm程度であると判明された。さらに、LiCoO2/LATP界面のLi濃度は、充電により僅かしか減少しないことがわかった。これらの結果は、界面近傍に形成されるLi濃度勾配および界面の欠陥は、Li+イオン伝導に大きな影響を与えることを示唆している。
従って、ToF-ERD法を用いることで、LiCoO2正極中のLi+イオンが電位勾配によりLATP中の負極側へ駆動されて流されることをその場で観測し、充電時におけるLi+イオン電池中のLi+イオン移動量を約数十nmの深さ分解能で定量的に評価することを可能とした。

研究成果

• [雑誌論文] Behaviors of H, D, and Li in water-soaked LATP solid electrolytes at room temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: Kodera Taku、Tsuchiya Bun、Takahiro Katsumi、Hosoda Akifumi
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 949 ページ: 169774～169774
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.169774
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal desorption processes of H2 and CH4 from Li2ZrO3 and Li4SiO4 materials absorbed H2O and CO2 in air at room temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya B.、Kodera T.、Miyaoka H.、Ichikawa T.、Kojima Y.
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 48 ページ: 8830～8836
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.11.217
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen Absorption in Near Surface of Lithium-ion Conductive Glass Ceramics by Water Uptake at Room Temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: Kodera Taku、Tsuchiya Bun、Kato Ryo、Usami Taiki、Takahiro Katsumi
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 20 ページ: 237～242
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2022-045
  • 査読あり
• [学会発表] イオンビーム分析法を用いた電極/固体電解質界面のリチウム濃度分布その場測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 土屋文、小寺拓、鈴木耕拓、佐々木知子
  • 学会等名: 応用物理学会 春の大会
• [学会発表] In-situ Measurement of Lithium Transfer at Electrode/Solid Electrolyte Interfaces in All-solid-state Batteries Under Charging and Discharging by ToF-ERD Technique (2022)
  • 著者名/発表者名: B. Tsuchiya, T. Kodera, K. Suzuki and T. Sasaki
  • 学会等名: IC on Materials Science, Engineering & Technology '22 (ICMSET’22)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Absorption Process of Hydrogen Isotopes in Solid Electrolyte Materials by Water Splitting (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kodera, B. Tsuchiya, K. Suzuki and T. Sasaki
  • 学会等名: IC on Materials Science, Engineering & Technology '22 (ICMSET’22)
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ Hydrogen Distribution Analysis in LiCoO2 by Water Uptake at Room Temperature Using Elastic Recoil Detection in Air Atmosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: B. Tsuchiya, T. Kodera, T. Sasaki, and K. Suzuki
  • 学会等名: 応用物理学会 薄膜・表面物理分科会 イオンビームによる表面・界面の解析と改質 特別研究会
• [学会発表] Hydrogen and Lithium Measurements in Near Surface of Water-soaked LATP Solid Electrolytes Using Elastic Recoil Detection Techniques (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kodera, B. Tsuchiya, T. Sasaki, and K. Suzuki
  • 学会等名: 応用物理学会 薄膜・表面物理分科会 イオンビームによる表面・界面の解析と改質 特別研究会
• [学会発表] Dynamic Behaviors of Lithium and Hydrogen at Electrode/Solid Electrolyte Interfaces Using Elastic Recoil Detection Techniques (2022)
  • 著者名/発表者名: B. Tsuchiya, T. Kodera, T. Sasaki, S. Yamamoto, and K. Takahiro
  • 学会等名: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22 (ALC’22)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Absorption and Desorption Processes of H in LiCoO2 by H2O Splitting at Room Temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: B. Tsuchiya, T. Kodera, and K. Suzuki
  • 学会等名: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22 (ALC’22)
  • 国際学会
• [学会発表] Behaviors of Hydrogen and Lithium in Near Surface of Lithium-ion Conductive Glass-ceramics by Water Uptake at Room Temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kodera, R. Kato, T. Usami and B. Tsuchiya
  • 学会等名: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22(ALC’22)
  • 国際学会
• [学会発表] 常温水分解によるコバルト酸リチウムの水素吸収特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 土屋文、小寺拓、鈴木耕拓、佐々木知子
  • 学会等名: 日本金属学会 秋の大会
• [学会発表] 室温において水浸漬されたリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの水素およびリチウム挙動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小寺拓、加藤僚、宇佐見太毅、土屋文、鈴木耕拓、佐々木知子
  • 学会等名: 日本金属学会 秋の大会
• [学会発表] 電圧印加されたリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス中のリチウムイオン移動機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小寺拓、加藤僚、宇佐見太毅、土屋文、鈴木耕拓、佐々木知子
  • 学会等名: 日本金属学会 春の大会