全固体リチウムイオン二次電池の複合電極の電位分布計測手法を開発
~高出力密度化に向けて壁となっている電極 - 電解質間の界面抵抗の原因解明に大きな一歩~
国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
NIMSの研究チームは、全固体リチウムイオン二次電池の複合正極材料において、充放電前後での電位分布の変化をナノスケールで可視化することに成功しました。
概要
- 国立研究開発法人物質・材料研究機構 先端材料解析研究拠点 表面物性計測グループの石田暢之主任研究員 (ナノ材料科学環境拠点ナノ表界面計測グループGREENリーダー) と増田秀樹NIMSポスドク研究員らの研究チームは、全固体リチウムイオン二次電池の複合正極材料において、充放電前後での電位分布の変化をナノスケールで可視化することに成功しました。全固体リチウムイオン二次電池の実用化に向けて壁になっていた、電極と電解質の界面における高い抵抗の原因解明につながると期待されます。
- 固体電解質を使った全固体リチウムイオン二次電池は、その高い安全性や良好なサイクル特性から、次世代の蓄電池として期待されています。しかし、液体の電解質に比べて電極-固体電解質界面でのリチウムイオン伝導抵抗が高く、高い出力密度が得られないという課題があります。これまでこの界面抵抗の起源として、充電時に固体電解質内にできるリチウムイオンが欠乏した層 (空間電荷層) や界面欠陥によるモデルが提案されています。この仮説を検証するためには、実際に充放電前後で空間電荷層の厚さや空間電荷層内のリチウムイオン濃度分布がどう変化するのか測定し、界面抵抗との相関を調べることが重要です。しかし、電池の性能を保ったまま試料を切り出して電位分布を測定することが難しく、界面抵抗の原因解明に向け大きな壁となっていました。
- 今回、本研究チームは、測定用試料の切り出しと断面処理から、走査型プローブ顕微鏡を使った電位分布の計測まで、すべての操作を不活性ガスもしくは真空中で行う手法を開発し、電池の性能を保ったまま、電池の充放電に伴う複合正極中の電位分布の変化を高い空間分解能 (~50 nm) で可視化することに成功しました。この手法を全固体リチウムイオン二次電池 (太陽誘電株式会社より提供) の評価へ応用したところ、複合正極の固体電解質中でマイクロメートルのオーダーでリチウムイオン濃度が減少している領域が広がっていること、また、充電状態が場所によって異なり不均一であることが示唆されました。
- 本手法は、多くの全固体リチウムイオン二次電池の空間電荷層の評価へ応用可能であり、全固体リチウム二次電池の高い界面抵抗の起源解明につながると期待されます。また、複合電極材料中の導電率分布の不均一さによって生じる活物質粒子ごとの充放電状態の違いも評価可能であることから、全固体リチウムイオン二次電池の高性能化に向けた界面設計への貢献のみならず、電池劣化要因の解析など、様々な電池解析技術への応用が期待されます。
- この研究の一部は、科学技術振興機構 (JST) が推進する戦略的創造研究推進事業 (CREST) 「超空間制御に基づく高度な特性を有する革新的異能素材等の創成」 (研究統括 : 瀬戸山亨) のうちの採択課題「超イオン伝導パスを拓く階層構造による結晶相界面デザイン」 (研究代表 : 手嶋勝弥) 、および、文部科学省の委託事業「統合型材料開発プロジェクト」に基づいたナノ材料科学環境拠点 (拠点長 : 魚崎浩平) の支援を受け、NIMS蓄電池基盤プラットフォームの設備を用いて行われました。
- 本研究成果は、NIMSおよび太陽誘電株式会社の共著論文として、英国王立化学会誌「Nanoscale」オンライン版にて日本時間の平成28年12月21日19時 (現地時間12月21日10時) に公開されます。 (DOI : 10.1039/C6NR07971G)
プレスリリースの図2: 全固体リチウム二次電池デバイス断面の複合正極領域の電位分布計測結果
