新規イオニクスデバイスの開発に向けた基礎研究-電気化学界面制御と物質開拓

2007 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18205024
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 菅野 了次 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (90135426)
• 研究分担者: 山田 淳夫 東京工業大学, 大学院・総合理工学学研究科, 准教授 (30359690) ; 園山 範之 名古屋工業大学, 大学院・工学部, 准教授 (50272696) ; 米村 雅雄 茨城大学, 理工学研究科, 助教 (60400602) ; 鳥飼 直也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (70300671) ; 田村 和久 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究員 (10360405)
• キーワード: 固体イオニクス / 固体電池 / 電気化学界面 / 薄膜電池 / 固体電解質

研究概要

エピタキシャルヘテロ接合界面を利用した新たなセルの開発を目標とし、本年度はエピタキシヤル薄膜電極を用いて固液電気化学界面挙動を検出、解析した。主要な電極材料である層状岩塩型、スピネル型、オリビン型について、パルスレーザー堆積(PLD)法を用いることで配向制御した二次元界面を有するエピタキシャル薄膜の作製に成功した。大型放射光施設SPring-8においてin situ X線散乱測定を適用し、電池反応中の固液界面構造変化のその場観察に初めて成功した。界面構造変化は材料や結晶面で異なる挙動を示し、電極最表面構造が電池反応の全体の可逆性や速度を決定する鍵のひとつであることを明らかにした。さらに、エピタキシャル薄膜電極を固液界面から固固界面へと展開するために、固固のエピタキシャルヘテロ接合界面を作製し、配向、平滑性、イオン導電性等の基礎物性を明らかにした。今後は固固界面の電気化学反応について検出し、固固界面を用いた新規イオニクスデバイス開発の指針を見出す。さらに、既存デバイスのなかで究極の安全性を有する全固体電池の実用化を目指し、セルの最適化、固固界面反応機構を検討した。申請者が発見した電解質(チオリシコン)について、電極との間に自己組織化界面により固体・固体接合が形成され、大電流充放電が可能になることを明らかにした。また容量は高いが電気伝導性、耐久性に難のあった硫黄正極を気相法でアセチレンブラック上に作製することで、正極界面での接合性を向上させ理論容量動作を初めて実現した。これにより、全固体電池用電極材料の選択の幅を広げ、さらなる高機能化への道筋を示した。結晶構造に関しては、合成条件の検討によりいくつかの多形材料の合成に成功した。これらの結晶構造とリチウムイオンの導電機構との相関を明らかにし、高イオン導電性を示す材料設計基盤を築いた。

研究成果

• [雑誌論文] Interfacial reactions at electrode/electrolyte boundary in all solid-state lithium battery using inorganic solid electrolyte, thio-LISICON (doi:10.1016/j. electacta. 2008. 01. 071) (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, A. Yamada and R. Kanno
  • 雑誌名: Electrochimica Acta (In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] All solid-state battery with sulfur electrode and thio-LISICON electrolyte (doi:10.1016/ j. jpowsour. 2008. 03. 030) (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, Y. Imade, D. Shishihara, K. Homma, M. Nagao, R. Watanabe, T. Yokoi, A. Yamada, R. Kanno and T. Tatsumi
  • 雑誌名: Journal of Power Sources (In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of electrode/electrolyte interface for Iithium batteries using in situ synchrotron X-ray reflectometry-A new experim ental technique for LiC_0O_2 model electrode (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Hirayama, N. Sonoyama, T. Abe, M. Minoura, M. Ito, D. Mori, A. Yamada, R. Kanno, T. Terashima, M. Takano, K. Tamura. and J. Mizuki
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 168 ページ: 493-500
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of electrode/electrolyte interface using in situ X-ray reflectometry and LiNi_<0.8>Co_<0.2>O_2 epitaxial film electrode synthesized by pulsed laser deposition method (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Hirayama, K. Sakamoto, T. Hiraide, D. Mori, A. Yamada, R. Kanno, N. Sonoyama, K. Tamura, and J. Mizuki
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 871 ページ: 871-881
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of Electrode/Electrolyte Interface with X-Ray Reflectometry and Epitaxial-Film LiMn_2O_4 Electrode (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Hirayama, N. Sonoyama, M. Ito, M. Minoura, D. Mori, A. Yamada, K. Tamura, J. Mizuki, and R. Kanno
  • 雑誌名: Journal of the electrochemical Society 154(11) ページ: A1065-A1072
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic study on lithium intercalation using a restricted reaction field in LiNi_<0.5>Mn_<0.5>O_2 (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Sakamoto, H. Konishi, N. Sonoyama, A. Yamada, K. Tamura, J. Mizuki and R. Kanno
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 174(2) ページ: 678-682
  • 査読あり
• [学会発表] Characterization of Electrode/Electrolyte Interface for Intercalation Materials using a Surface X-ray Scattering Measurement (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Hirayama, K. Sakamoto, N. Sonoyama, D. Mori, A. Yamada, R. Kanno, K. Tamura, J. Mizuki,
  • 学会等名: The 2nd International Conference on Physics of Solid State Ionics
  • 発表場所: Yokohama
  • 年月日: 20071216-19
• [学会発表] Mechanistic Studies of Intercalation Reactions using Epitaxial Thin-Film Electrodes (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Kanno, M. Hirayama, K. Sakamoto, D. Mori, A. Yamada, N. Sonoyama, K. Tamura, J. Mizuki
  • 学会等名: 16th International Conference on Solid State Ionics
  • 発表場所: China
  • 年月日: 20070701-06
• [学会発表] Characterization of Electrode/Electrolyte Interface for Intercalation Materials using a Surface X-ray Scattering Measurement (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Hirayama, K. Sakamoto, N. Sonoyama, D. Mori, A. Yamada, R. Kanno, K. Tamura, J. Mizuki
  • 学会等名: 16th International Conference on Solid State Ionics
  • 発表場所: China
  • 年月日: 20070701-06
• [備考]
  • URL: http://www.echem.titech.ac.jp/~kanno/index.html