【材料科学/電気化学】低い界面抵抗を実現、全固体電池に前進 - 東北大

Mogtan ★＠＼(^o^)／

掲載日：2015年3月5日
http://news.mynavi.jp/news/2015/03/05/249/

　正極と負極、電解質のすべてが固体から構成される全固体リチウム電池で、極めて低い電極/電解質界面抵抗を
実現するのに、東北大学原子分子材料科学高等研究機構の春田正和(はるたまさかず)助手(現・同志社大学准教授)と
白木将(しらきすすむ)講師、一杉太郎(ひとすぎたろう)准教授らが成功した。電極(コバルト酸リチウム)と電解質
(窒素添加リン酸リチウム)からなる高品質な界面を作り、その界面抵抗を、液体電解質を使う場合よりも低く抑えた。
全固体リチウム電池の実用化に向けて、課題が解決できる見通しをつけた。3月4日付の米化学会誌Nano Letters
オンライン速報版で発表した。

　全固体リチウム電池は、高い安全性とエネルギー密度を両立する次世代の高性能畜電池として期待されている。
液体の電解質を用いないため、液漏れや発火の危険がなく、安全性が高い。しかし、その実用化には課題が多い。
特に、電極と電解質の界面における抵抗(電極/電解質界面抵抗)が高く、リチウムイオンの移動が制限されてしまうため、
高速の充放電が困難だった。

　研究グループは、試料作製からイオン伝導性の測定まですべてに関して、超高真空下で実施できる同一の実験装置を
トヨタ自動車と共に東北大学に建設した。この装置で、成膜条件を最適化し、不純物や欠陥の少ない高品質な薄膜を
積層して全固体薄膜電池を作製した。試料を一度も大気にさらしていないため、理想的な電極/電解質界面ができ上がった。

　そして、その電極/電解質界面のイオン伝導性を測定した。その結果、コバルト酸リチウムと窒素添加リン酸リチウムの
界面で原子配列の乱れを減らすと、界面抵抗が極めて低い8.6Ωcm2を得た。この値は、これまで報告されていた
全固体電池の値の1/10程度、液体電解質を用いた電池の界面抵抗の1/3程度だった。

　この結果により、コバルト酸リチウムと窒素添加リン酸リチウムの組み合わせでは、液体電解質を用いた場合よりも
小さい界面抵抗を示す電極/電解質界面が得られることを実証した。さらに、空間電荷層による界面抵抗増大の効果は
無視できることもわかった。

　研究を率いた一杉太郎准教授は「電極と電解質の材料の組み合わせだけでなく、その作製プロセスで界面の状態が
大きく変わり、界面抵抗が変化することを明らかにした。電極/電解質の界面における高いイオン伝導性の実現は、
全固体リチウム電池実用化の鍵である。今回、液体電解質を用いた従来のリチウムイオン電池よりも、界面抵抗を
小さくすることが可能であることを実証した。また、固体/固体界面でのイオンの振る舞いも理解が深まるだろう。
今後、界面構造と電子状態の精密制御の研究が進み、電池特性の向上につながることが期待される。工業的にも
科学的にも意義は大きい」と話している。

<画像>
図1. 全固体リチウム薄膜電池の写真(左)および断面図の概略図(右)(提供：東北大学)
http://news.mynavi.jp/news/2015/03/05/249/images/001l.jpg

図2. 全固体薄膜電池の電極/電解質界面の抵抗測定結果。青色の円弧の大きさから、電極/電解質界面の抵抗が
8.6Ωcm2と見積もることができる。(提供：東北大学)
http://news.mynavi.jp/news/2015/03/05/249/images/002l.jpg

<参照>
全固体電池において、極めて低い電極/電解質界面抵抗... | プレスリリース | 東北大学 -TOHOKU UNIVERSITY-
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/03/press20150303-01.html

Negligible “Negative Space-Charge Layer Effects” at Oxide-Electrolyte/Electrode Interfaces of Thin-Film Batteries - Nano Letters (ACS Publications)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5035896