全固体電池における高出力化、電極-電解質界面の内部抵抗低減、その製造技術

第1部 全固体電池の概要-構造、特性、動向など -

(2019年6月6日 10:00〜11:00)

　リチウムイオン電池の全固体化は、有機溶媒電解質に起因する問題を解決するものとして期待されている。本講では、リチウムイオン電池の全固体化に向けて開発された固体電解質、それらを使用した際に界面で生じる課題ならび解決に向けた取り組みについて紹介する。

1. リチウムイオン電池の全固体化
   1. リチウムイオン電池の課題
   2. 全固体化への期待
   3. リチウムイオン伝導性固体電解質
2. 硫化物固体電解質系全固体電池
   1. 硫化物固体電解質系における課題
   2. 正極界面におけるナノイオニクス
   3. ナノイオニクスに基づく界面設計
   4. 高出力界面の構築
   5. 計算科学からのアプローチ
3. 酸化物固体電解質系全固体電池
   1. 酸化物固体電解質系における課題
   2. 全固体電池材料の薄膜化
   3. 粒界抵抗低減への取り組み
• 質疑応答

第2部 全固体電池の固体電解質設計における 内部抵抗低減技術について

(2019年6月6日 11:10〜12:10)

　民生用小型電池から電気自動車搭載用途などへの大型蓄電デバイス需要拡大に伴い、リチウム2次電池は世界で激しい研究・開発競争に晒されている。そのなかで、次世代型として期待される全固体リチウム電池が実用化されるためには高出力化という課題があり、電池部材間の界面抵抗を低減することがその課題解決の鍵を握っている。我々は全固体リチウム電池の界面抵抗低減に向けて、理想的なモデル薄膜電極を作製し、界面抵抗起源探索の研究を行っている。この基礎的な研究アプローチから、理想的な固体電解質/電極界面において、実用化されている液系電解質を用いたリチウムイオン2次電池を凌ぐ超低抵抗界面が形成できることを見出してきた。本講座では薄膜を利用した固体電解質/電極間の界面抵抗低減技術を紹介する。

1. 全固体リチウム電池の概要
   1. 全固体リチウム電池の近年の需要
   2. 全固体リチウム電池の構成と材料
   3. 固体電解質の特徴:液系電解質との比較
   4. 全固体電池の課題:高出力化に向けた取組み
2. 全固体リチウム電池高出力化に対する研究のアプローチ
   1. 全固体リチウム電池の薄膜化
   2. 薄膜作製技術
   3. 真空プロセス
   4. 清浄な界面を形成したモデル電極作製
   5. 固体電解質/電極界面抵抗の定量評価
   6. 超低抵抗界面を形成した高速充放電特性を示す全固体薄膜リチウム電池の作製
• 質疑応答

第3部 全固体電池の高出力化および 界面抵抗メカニズムとその低減技術

(2019年6月6日 12:50〜13:50)

1. 車載用LLTO (全固体電池) の市場
   1. 固体電解質の分類
   2. 主な全固体電池の開発メーカーの概要
   3. ロードマップ
   4. 市場規模
2. 私どものLIB材料開発の取り組み
   1. LIB用チタン酸化合物開発の経緯
3. LLTOの紹介
   1. ぺロブスカイト型リチウムイオン伝導性酸化物
   2. リチウムイオン伝導のメカニズム
   3. 製造プロセス
   4. リチウムイオン伝導度の評価
   5. 機械的特性
   6. LLTOを用いた金属リチウム空気二次電池
   7. モーター駆動による空気電池のデモンストレーション
4. 資源
   1. Li資源
   2. Ti資源
5. 今後の展望
• 質疑応答

第4部 全固体型薄膜リチウム二次電池の 界面抵抗発現メカニズムにおける 電極-電解質界面の内部抵抗と抑制

(2019年6月6日 14:00〜15:00)

1. 全固体型薄膜リチウム二次電池の紹介
2. 全固体型薄膜リチウム二次電池の応用について
3. 薄膜電池内の各材料の選定理由について
4. 全固体型薄膜リチウム二次電池製造工程について
5. 全固体型薄膜リチウム二次電池製造装置の紹介
6. スパッタリングターゲットの紹介
7. 正極膜LiCoO2のRF+DC重畳成膜とその特性について
8. 固体電解質膜LiPONの成膜と特性について
9. 弊社装置で作製した全固体型薄膜リチウム二次電池の特性について
10. 全固体型薄膜リチウム二次電池の界面抵抗発現メカニズム一例とその抑制
11. 次世代に向けての大量生産技術について
• 質疑応答

第5部 硫化物系固体電解質の構造解析とイオン伝導性の向上

(2019年6月6日 15:10〜16:10)

　本講座では、これまでのイオン伝導ガラスの開発研究において主流ではなかった金属硫化物Al2S3に着目し、いくつかの硫化物系イオン伝導ガラスの構造解析結果に基づいて設計・合成したNa2S-Al2S3ガラスのイオン伝導性について報告します。 　さらに、中性子と放射光X線を併用したガラスの構造解析も行い、ガラス中に発現したイオン伝導性と構造との関係性についても議論します。

1. 研究背景
   1. 全固体Naイオン電池と固体電解質材料としてのイオン伝導ガラス
   2. これまでのNaイオン伝導ガラスの開発と構造研究
   3. 構造解析の結果に基づいたNa2S-Al2S3ガラスの開発指針
2. Na2S-Al2S3ガラスの創製
   1. メカニカルアロイング法によるNa2S-Al2S3ガラスの合成
   2. 交流インピーダンス法によるNa2S-Al2S3ガラスの電気伝導度測定
3. Na2S-Al2S3ガラスの構造解析
   1. 中性子・X線の散乱と二体分布関数解析の基礎
   2. Na2S-Al2S3ガラスの中性子・放射光X線回折測定
   3. Na2S-Al2S3ガラスの二体分布関数解析による短距離構造の解析
   4. 逆モンテカルロ法によるNa2S-Al2S3ガラスの3次元原子構造モデルの構築
4. Na2S-Al2S3ガラスの構造とイオン伝導性
   1. 3次元原子構造モデルの解析によるNa2S-Al2S3ガラス中のNaイオンの存在環境
   2. Na2S-Al2S3ガラスのイオン伝導経路の解析
5. まとめ
• 質疑応答

第6部 透過電子顕微鏡による 全固体電池の構造・状態の評価・解析

～電子線ホログラフィーによる電位分布解析と 電子エネルギー損失分光法による状態解析を中心として～

(2019年6月6日 16:20〜17:20)

　高性能な全固体電池開発への社会からの期待について述べ、開発をサポートする最新の透過電子顕微鏡 (TEM) 技術を解説する.特に、TEM内で全固体サンプル電池に電圧を印加しながら電子線ホログラフィーで電池内の電位分布を計測し、電子線エネルギー損失分光法でリチウム分布や他の元素の価数変化を求める研究などを紹介する.

1. 全固体型電池の概要
   1. 固体電解質と全固体型電池
   2. 全固体電池の性能と課題
2. 透過型電子顕微鏡の基本原理と構造
3. 最先端の透過型電子顕微鏡技術と解析例
   1. 走査透過電子顕微鏡 (STEM)
      • 走査透過電子顕微鏡 (STEM) の基礎と収差補正装置
   • 環状暗視野法 (ADF法) と環状明視野法 (ABF)
     • リチウム原子列直視
   • In situ電子線ホログラフィー
     • 電子線ホログラフィーの基礎
     • 大気暴露せずにTEM試料を製する技術
     • ホログラフィー電子顕微鏡内で電池に充放電させる技術
     • 試料周辺の漏れ電場を考慮したシミュレーション技術
     • 固体電解質内の電位分布解析
   • エネルギー損失分光法 (EELS)
     • エネルギー損失分光法 (EELS) の基礎
     • 位置分解エネルギー損失分光法の原理と装置
     • その場形成負極のリチウム分布解析および他の元素の価数分布解析
4. まとめと将来のための新しい透過電子顕微鏡技術
• 質疑応答