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» 2018年04月20日 07時00分 公開

蓄電・発電機器:全固体電池の実用化を後押し、電極材料の熱評価手法を開発

次世代の電池として大きな注目が集まる「全固体電池」。その実用化に欠かせない無機固体電解質の熱安定性評価技術を大阪大学らの研究グループが開発した。

[陰山遼将,スマートジャパン]

 大阪府立大学と物質・材料研究機構(NIMS)らの研究グループは、全固体リチウム電池への応用が期待されている硫化物系無機固体電解質の熱安定性評価技術を開発したと発表した。

 現在のリチウムイオン電池より高いエネルギー密度と安全性が期待できるとして、全固体電池の実用化に大きな注目が集まっている。全固体電池は一般的なリチウムイオン電池のように可燃性の有機電解液を利用せず、正極と負極の間に無機固体電解質を用いる。この無機固体電解質が、全固体電池の性能を大きく左右する重要なキーマテリアルだ。一方で、全固体電池の実用化に向けては、こうした電池材料の発熱挙動や熱反応の要因解明が重要なポイントになる。発熱挙動は安全性だけでなく、電池寿命を劣化させる要因にもなるからだ。

 複数の種類がある無機固体電解質の選択において、1つの重要な指標となるのがイオン伝導度。硫化物系無機固体電解質は、酸化物系よりもイオン伝導度が高く、広い電位域において電気化学的に安定であることから、全固体リチウム電池への応用が期待されている。

 これまで研究グループは、透過型電子顕微鏡を用いて全固体リチウム電池材料の熱的安定性評価を進めてきた。その一環として、硫化物系無機固体電解質の1つであるLi2S-P2S5ガラス電解質(以下、LSP)に着目。非結晶状態の直接観察と、ガラスの結晶化挙動について、加熱時の構造変化を直接観察できる「加熱その場観察」という実験技術を開発している。

 今回、この実験技術と、量子力学に基づき物質の電子状態やエネルギーを経験的なパラメータを用いずに計算する「第一原理計算」を用い、LSPと正極活物質LiNi1/3Mn1/3CO1/3O2(NMC)で構成する正極複合体が示す熱反応の要因を調査。発熱反応の主な原因は、無機固体電解質の結晶化である可能性をつきとめた。

充電後NMC-LPSの正極複合体中で生じるLPSの分解反応。この反応によって結晶化が起こる 出典:

 研究グループは、加熱その場観察技術と第一原理計算を用いた発熱挙動の観察手法は、他の電池材料への応用も期待でき、全固体リチウムイオン電池の実用化に大きく貢献するとしている。

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