| 研究課題/領域番号 |
18K13999
|
|---|
| 研究機関 | 地方独立行政法人大阪産業技術研究所 |
|---|
研究代表者 |
園村 浩介 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 研究員 (60712015)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | 界面構造 / 第一原理計算 / 全固体リチウム電池 / 黒鉛負極 |
|---|
| 研究実績の概要 |
全固体リチウム電池において、急速充放電の実現、延いては電池性能の劣化防止のためには、界面抵抗の低減が不可欠である。正極側は、活物質への酸化物被覆によるリチウムイオン濃度分極の抑制効果について、第一原理計算にて調査されている。一方、負極側は、グラファイトを用いた場合、正極材と比べて、界面抵抗が１桁低い10 Ω程度(室温、10サイクル目の充電後のインピーダンス測定結果)であるため、被覆による界面抵抗の低減は殆ど検討されておらず、計算もされていない。そこでまず、黒鉛と典型的な硫化物固体電解質の一つであるLi3PS4との界面について調査するために、黒鉛とLi3PS4の界面構造モデルを作成した。固体電解質は参考文献よりb軸方向にLiイオン伝導する固体電解質β-Li3PS4を使用した。モデル作成の前準備として、黒鉛バルク、β-Li3PS4バルク、黒鉛スラブ、β-Li3PS4スラブの構造緩和をそれぞれ行った。界面構造モデルにはバルクより得られた格子定数と原子座標を使用した。このモデルの界面は合わせる黒鉛の（110）面とβ-Li3PS4の（010）面のミスフィット率が5 %未満になるように各々の大きさを調整された。界面の横方向のズレは系統的に調査するため20個のモデルを作成した。現在、これらの界面構造モデルの構造緩和を行っており、最小のエネルギーを持つ構造について調査している。このことより、黒鉛と典型的な硫化物固体電解質Li3PS4との界面において、レート特性に影響を及ぼすような構造の乱れや化合物形成の有無が明らかになる。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
申請時の計画では、H31年度（前期）からR元年度（後期）にかけて界面構造モデルを作成することになっており、当初、界面構造モデルを作成するために、被覆材や固体電解質を液相化させて、黒鉛に塗布し、黒鉛の（110）面に対し優先成長する被覆材や固体電解質の結晶面について調査してきた。被覆材候補の塩化リチウムや臭化リチウムは、再結晶の結晶性が高いため黒鉛の（110）面に対して優先成長が見られたものの、被覆材候補のヨウ化リチウム、硫化物固体電解質Li3PS4やLi6PS5Clは、乾燥方法、温度、時間、真空度等、条件を変更しながら検討したが、いずれの条件でも再結晶の結晶性が悪く、黒鉛の（110）面に対して優先成長は見られなかった。このことより、液相法にて黒鉛の（110）面上に被覆材や固体電解質を優先成長させて結晶配向面を調査し、界面構造モデルを作成することは難しいことが分かった。そこで、まず黒鉛と硫化物固体電解質との界面構造モデルを作成するために、典型的な硫化物固体電解質の一つであるb軸方向にLiイオン伝導する固体電解質β-Li3PS4をモデルに使用し、界面構造を作成した。現在、界面の横方向のズレを系統的に調査するため、20個のモデルを作成し、構造緩和を行っている。また、被覆材としては、実験し易い大気中安定な酸化物系のものを検討しており、既に界面構造モデルを作成し、黒鉛及び硫化物固体電解質に悪影響を及ぼさないか調査を開始している。
|
| 今後の研究の推進方策 |
黒鉛と固体電解質β-Li3PS4の界面構造モデルの構造緩和を行い、界面においてLiイオン伝導を阻害するような構造の乱れや化合物形成の有無について確認する。仮に、そのような場合、そのような構造の乱れや化合物形成が起こらないように被覆材を導入する必要がある。被覆材は、低電位で安定なもの、例えば、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、酸化物系等は候補として挙げられる。これらの界面構造モデルを作成して、構造緩和を行い、イオン伝導を阻害するような化合物が形成されているか否かを確認することになる。一方、仮に界面にイオン伝導を阻害するような構造の乱れや化合物形成がなければ、黒鉛のレート特性の低下の原因は、物理的な黒鉛の変形による可能性があると考えられる。そこで、被覆材としては硫化物固体電解質より硬い材料で、黒鉛や硫化物固体電解質に悪影響を及ぼさない酸化物系の材料が良いと考えられる。次年度は、計算から得られた知見をもとに、黒鉛に被覆材を被覆し、レート特性が改善されるか否かについて、実験的にも調査する予定である。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
昨年度は、既に導入した計算機を中心に研究を進めていたので、初年度に購入した計算機の差額で生じた分を使用することは無かった。次年度は、計算とともに実験も行う予定であり、使用する予定である。
|
