2015 Fiscal Year Research-status Report
ナノシートを用いた新奇構造を有する全固体リチウム電池の開発
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26390026
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鈴木 真也 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70396927)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 全固体リチウムイオン二次電池 / 薄膜 / ナノシート |
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| Outline of Annual Research Achievements |
正負極それぞれの薄膜上にリチウムイオン伝導性ナノシート薄膜を形成した電極－電解質接合体同士を対向させ接着するという手法で、薄膜型リチウムイオン二次電池の開発に成功した。正極にマンガン酸リチウム(LiMn2O4)薄膜、負極にチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)薄膜、電解質にリチウムイオン伝導性ナノシートを用い、正極0.3μm、負極0.2μm、電解質0.5μmの合計1μmの厚さで形成したリチウムイオン二次電池は、1μA/cm2という小さな電流密度での充放電によって2.5V付近で0.60μAhの容量を示した。電圧は理想的な値に近かったが、容量は理想的なものと比べ1/4程度にとどまった。形成したセルには数万Ω程度の大きな内部抵抗が存在し、それが理想的な容量の発現を妨げていた。内部抵抗の成分分離を行った結果、大きな内部抵抗は電極－電解質界面に起因するものであることを明らかにした。数万Ωという抵抗は、実用化可能なレベルの素子と比較して３桁も大きな値である。この巨大な内部抵抗はナノシート電解質中で予想されるイオン輸送経路を考慮し、幾何的な電極－電解質界面積に対して、Liの受け渡しである電荷移動反応が起こる実効的な界面がナノシートの端部に限られるなど極端に小さいためであると予想した。現在は電解質であるイオン伝導性ナノシートに対して化学的処理を行うことでナノシート面内の微細構造を変化させることで、通常とは異なるイオン伝導経路を持つナノシートの開発に着手している。
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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
昨年度の実施において、正負極それぞれの薄膜上にリチウムイオン伝導性ナノシート薄膜を形成した電極－電解質接合体同士を対向させ接着するという手法では短絡しない電解質膜は得られなかった。そこで別の電解質成膜法を検討した。電解質ナノシート分散液飛沫をスプレーする手法を検討している際に、水分を含んだナノシート膜の流動性が高いことを見いだした。その知見を昨年度実施していた手法にフィードバックし、手法を洗練することで短絡を起こさない電解質薄膜の形成に成功した。正極にマンガン酸リチウム(LiMn2O4)薄膜、負極にチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)薄膜、電解質にリチウムイオン伝導性ナノシートを用い、正極0.3μm、負極0.2μm、電解質0.5μmの合計1μmの厚さで形成したリチウムイオン二次電池は、1μA/cm2という小さな電流密度での充放電によって2.5V付近で0.60μAhの容量を示した。電圧は理想的な値に近かったが、容量は理想的なものと比べ1/4程度にとどまった。形成したセルには数万Ω程度の大きな内部抵抗が存在し、それが理想的な容量の発現を妨げていた。内部抵抗の成分分離を行った結果、大きな内部抵抗は電極－電解質界面に起因するものであることを明らかにした。当初はナノシート電解質を利用したバルク型リチウムイオン二次電池の開発を計画していたが、電極－電解質界面に巨大な抵抗があることから、バルク化のメリットは無いと判断し、開発対象を薄膜型リチウムイオン二次電池に絞ることにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画では、バルク型のリチウムイオン二次電池の形成を予定していたが、バルク型の電池を形成しても薄膜型で観察された電極電解質界面での巨大な内部抵抗が劇的に低減されることはないと予想される。そのため開発対象を薄膜型リチウムイオン二次電池に絞ることにした。薄膜型で現状では数万Ωの内部抵抗があり、実用化には少なくとも二桁内部抵抗を小さくする必要がある。例えばナノシートサイズを小さくするであるとか、電極薄膜表面の改質などによって内部抵抗の低減が見込まれるが、それぞれは桁で内部抵抗を低減することはないと強く予想される。そこで、イオン輸送のボトルネックになっているであろうと予想される電極電解質界面の実効率を、電解質の改質によって向上させることを目指す。具体的には、ナノシートに化学的処理を行うことでナノサイズの穴をあけて、そこをリチウムイオンが通ることで酸化物ナノシートを貫く方向でのリチウムイオン輸送経路の確立を目指す。このようなイオン伝導性ナノシートを合成することで、ナノシート面内に事実上のナノシート端部が形成され電極電解質界面が桁で大きくなることが期待できる。
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| Causes of Carryover |
透過電子顕微鏡による分析を年度末に民間の分析会社に依頼したが、年度が替わっての納期になったため、今年度の実支出額が少なく見えている。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
年度をまたいで繰り越した分は透過電子顕微鏡の依頼分析の料金として支払い手続きを行っている。そのため次年度の使用計画には変更が無い。
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