2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of high energy all-solid-state lithium sulfur batteries
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16J01475
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
計 賢 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2018-03-31
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| Keywords | 全固体電池 / リチウム-硫黄電池 / 正極複合体 / 固体電解質 / 炭素導電剤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
活物質としても機能する硫化物固体電解質のLi3PS4の電極反応機構をXRD、Raman、XPS、XANESなどの構造解析手法を用いて評価した。Li3PS4は充放電時において、P-S-S-P結合の生成と解離が生じ、そのS-S結合の可逆な変化は、P-S間の強い結合によって達成されていることを明らかにした。
正極複合体中の活物質含有量増大に適した炭素導電剤を見出すために、異なる形態や比表面積を有する導電剤を検討した。複合体の電子伝導度とレート特性に関連性は見られず、接触面積と複合体中のイオン伝導度がレート特性に影響することを明らかにした。高エネルギー密度化に向けて、活性炭が電子伝導性、接触面積、イオン伝導度の観点から最も有望であること提案した。
高容量正極活物質であるLi2Sの利用率の向上を目的として、Li2S自身のイオン伝導性の増大を検討した。XRDパターンとイオン伝導性の変化から、Li2S-LiX(X=Cl, Br, and I)固溶体の生成が示唆された。ハロゲン化リチウムの種類やイオン伝導度が充放電特性に与える影響を調査し、固溶体のイオン伝導度はLi2Sの利用率に影響しないことを明らかにした。また80Li2S・20LiIを用いた全固体電池は最も高い容量を示した。またサイクルを重ねる毎に容量が増大し、80Li2S・20LiIを用いた全固体電池のLi2Sの利用率は、約100 %を示した。比較的高電流密度の2.5 mA cm-2においても980 mAh g-1の高い容量を示し、2000サイクルの間、容量劣化は観察されなかった。本研究で得られたLi2Sの利用率およびLi2Sを活物質として用いた全固体電池のサイクル特性は、これまで報告されたLi2Sを活物質として用いた電池の中で最も高い値を示すことがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Li3PS4のLi+イオンの脱挿入反応は、PS4ユニット間のS-S結合の生成・解離で起きており、その高い可逆性はP-S間の強い結合によって達成されていることを明らかにした。そのS-S結合の可逆な変化は典型元素を含む化合物ではじめて示されており、この反応メカニズムを基に、より高エネルギー密度を有する活物質の開発が期待できると考えられる。また正極中の活物質含有量増大に適した導電剤において、導電剤が正極複合体の電気特性に与える影響、その電気特性が電池特性に与える影響を調査しており、活性炭が有望な導電剤でることを明らかにした。さらに高容量正極活物質であるLi2Sの利用率は、Li2S固溶体を活物質として利用することによって、100 ％に達することを確認し、2000サイクルの間、初期の容量を維持することを示した。これらの特性はこれまで報告されたLi2Sを活物質として用いた電池の中で、最も高い利用率およびサイクル特性を示している。これらの結果から本研究は順調に進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
Li3PS4のLi+イオン脱挿入前後における局所的な構造変化は、明らかにできていない。したがって充放電前後において、放射光を用いた広域X線吸収微細構造からさらなる詳細な構造変化を解明する。またその明らかにする局所構造変化とDV-Xα計算を組み合わせて、未解明であったX線吸収スペクトル変化の由来を明らかにする。
ボールミルによって作製された炭素と固体電解質複合体において、複合体の電気伝導性および接触面積の比較が行われたが大きな差は観察されなかった。したがってより実用に近い厚い電極層を用いた全固体電池を構築し、電極層中のイオン伝導性が、活物質のレート特性および利用率に影響するかを検討する。
これまでの研究において、Li2Sベースの固溶体のイオン伝導性が、利用率に影響しないことが明らかになった。しかしながらその高い利用率に直接影響した要因はまだ明らかにできていない。したがって充放電前後の電極に対して、XRDやSEM、TEM観察による詳細な構造解析を行い、充放電メカニズムを明らかにする。
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Research Products
(1 results)
