| 研究課題/領域番号 |
19K15305
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
木須 一彰 東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (80755645)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | イオン伝導 / 錯体水素化物 / 二次電池 / 全固体電池 / リチウム硫黄電池 |
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| 研究実績の概要 |
エネルギー貯蔵デバイスの高エネルギー密度化が求められている。負極材料として最も高い理論容量を有する「リチウム金属」と、正極材料として高い理論容量を有する「硫黄」から成るリチウム硫黄電池は次世代電池の中で最大の理論重量エネルギー密度を有しているが、それらの電極材料に対して高い安定性を有する電解質が登場していないことが、この電池の実現を妨げる要因となっている。錯体水素化物は、リチウム硫黄電池の電解質として相応しい固体電解質である。相応しい最大の理由は、強い還元力を有する錯体水素化物が、反応活性が非常に高いリチウム金属に対して高い安定性を有すると期待されるためである。本研究では、錯体水素化物固体電解質/リチウム負極および硫黄炭素複合体正極の界面における化学的/電気化学的安定性の評価に加え、界面に生成し得る新規の層について、その生成条件や生成メカニズムを検討し、安定な充放電サイクル寿命を有する全固体リチウム硫黄電池の実現を目指した。2019年度は低温で比較的高いイオン伝導度を有する錯体水素化物固体電解質であるLi4(BH4)3Iを用い、リチウム金属負極に対する化学的/電気化学的安定性の評価およびリチウム硫黄電池の作製/評価を行った。錯体水素化物固体電解質のリチウム金属負極に対する安定性について、リチウム金属箔を両極に用いた対称セルの充放電試験によって評価した。電圧応答の平坦性は安定性の指標となっており、錯体水素化物LiBH4はこれまでに報告されている固体電解質の中で最も高い安定性を有する固体電解質の一つであることが明らかとなった。この研究を通して、錯体水素化物を固体電解質として用いたリチウム硫黄電池の充放電サイクルにおける容量劣化は負極リチウムに由来しておらず、正極層内の劣化に由来していることが示された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2019年度においては、錯体水素化物固体電解質を用いた全固体リチウム硫黄電池における負極/電解質の化学的/電気化学的安定性評価を集中的に行い、錯体水素化物固体電解質がリチウム金属負極に対して高い安定性を有することを明らかにした。また、錯体水素化物固体電解質の高い変形性から負極/電解質における界面抵抗が他の固体電解質系に比べて低くなり得ることを見出した。負極/電解質に加えて、正極/電解質における安定性評価および正極の複合体構造構築の検討も始めており、本研究は当初計画のお通り、おおむね順調に進展しているものと言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
2020年度の研究計画は、錯体水素化物固体電解質を用いた全固体リチウム硫黄電池の固体電解質/硫黄および炭素の界面において、どのような界面新規層が生成するのか、その生成条件や生成メカニズムを明らかにし、安定な充放電サイクル寿命を有する全固体リチウム硫黄電池の実現を目指す。
[正極複合体の作製および界面安定性の解明]
硫黄/炭素/錯体水素化物複合体を作製し、各種界面を制限することで、各々の界面で起こる反応を独立して観察することを検討する。非破壊電気化学測定電気化学インピーダンス測定を用いた電極層内おける構造由来の抵抗を解析し、構造体が電気化学特性にどのような影響を与えているのかを解明する。それぞれの材料の充放電前後における分光測定(XRD測定, Raman測定, SEM観察によって生成物の同定を行う。異なる充放電サイクル数および充放電深度によるex-situ評価から、生成メカニズムを特定する。in-situにおける分光測定手法を確立し、充放電過程における 正極の形態変化や結晶構造変化のその場観察を行うことで界面新規層の動的な解析を行う。
[各種錯体水素化物固体電解質の展開]
代表的な錯体水素化物固体電解質であるLiBH4を主な対象材料としつつ、多種多様な錯体水素化物固体電解質への展開を行うことで、水素化物と電極材料間の界面挙動を系統的に調査する。界面新規層に対するカチオン種の依存性の解明に向けて、カチオンのサイズや価数を変化させた錯体水素化物イオン伝導体（マグネシウムやカルシウムカチオン）を用いる事で、共通した特徴等を調べる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
電池材料やセル部材などについて、当初の予定より低価格での購入が可能となったため、必要とする費用が当初計画よりも少ない結果となった。
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