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» 2021年01月28日 09時30分 公開

東工大ら、全固体電池の容量を従来の2倍に不純物を含まない界面を作製

東京工業大学らによる研究グループは、全固体電池の容量を従来の2倍とすることに成功した。不純物を含まない電極/固体電解質界面を作製することで実現した。EV(電気自動車)の航続距離を延ばすことが可能となる。

[馬本隆綱,EE Times Japan]

EVの航続距離延長などが可能に

 東京工業大学物質理工学院応用化学系の一杉太郎教授と東北大学の河底秀幸助教らは2021年1月、産業技術総合研究所の白澤徹郎主任研究員や日本工業大学の白木將教授らと共同で、全固体電池の容量を従来の2倍とすることに成功した。不純物を含まない電極/固体電解質界面を作製することで実現した。EV(電気自動車)の航続距離を延ばすことが可能になる。

 リチウムイオン電池の電極材料として、LiNi0.5Mn1.5O4が注目されている。現行の電極材料「LiCoO2系」に比べ、より高い電圧を発生することができるからだ。しかも不純物を含まない電極/電解質界面を作製すると、リチウム含有量が2倍のLi2Ni0.5Mn1.5O4を「放電状態」、Li0Ni0.5Mn1.5O4を「充電状態」として使えるため、電池容量が倍増することも分かっていた。ただ、安定した充放電動作が行えるかどうかはこれまで報告されていなかったという。

 そこで研究グループは、不純物を含まない電極/電解質界面を有する全固体電池を作製し、充放電動作を検証した。まず、エピタキシャル成長によりLiNi0.5Mn1.5O4薄膜を形成し、その上にLi3PO4固体電解質を成膜。最後に負極となるLiを蒸着した。作製した全固体電池を用い、Li2Ni0.5Mn1.5O4を「放電状態」、Li0Ni0.5Mn1.5O4を「充電状態」として充放電動作を行った。この結果、50回の安定した動作を確認した。

LiNi0.5Mn1.5O4全固体電池の充放電測定の結果 出典:東京工業大学他

 この電池は4.7Vと2.8Vで動作し、LiNi0.5Mn1.5O4を用いた従来電池に比べ容量は2倍になった。電極/電解質界面は不純物を含まないため界面抵抗が小さく、高い出力が得られる。確認のため電極/電解質界面に不純物を混入させた電池で実験すると、充放電動作は全く観測されなかったという。

 電池容量が増大するメカニズムも調べた。LiNi0.5Mn1.5O4薄膜の上に、固体電解質Li3PO4を堆積させると、リチウムイオンが自発的にLi3PO4からLiNi0.5Mn1.5O4に移動することが分かった。

LiNi0.5Mn1.5O4全固体電池における界面形成過程と充放電動作の概略図 出典:東京工業大学他

 放射光X線回折測定を行い結晶構造についても調べた。この結果、LiNi0.5Mn1.5O4薄膜の界面近傍で、Li2Ni0.5Mn1.5O4が不均一に存在することが分かった。そして、固体電解質の上にリチウム電極を堆積させて電池を作製すると、リチウムイオンの自発的移動は一段と促進され、LiNi0.5Mn1.5O4薄膜が、Li2Ni0.5Mn1.5O4薄膜へと完全に変化することが分かった。不純物を含まない界面を形成したことで、リチウムイオンがスムーズに固体電解質側からLiNi0.5Mn1.5O4側に移動したものとみている。

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