全固体電池に向けた界面構造、反応の解析技術

第1部 硫化物系固体電解質の構造、組織変化の解析

(2021年4月9日 10:30〜12:00)

　無機固体電解質の1つである硫化物系電解質は、酸化物系よりも高いイオン伝導度を有し、広い電位域において電気化学的に安定であることから、全固体電池への応用が期待されている。 　本講演では、硫化物系ガラス電解質に着目し、硫化物系固体電解質の構造、組織変化の解析として、透過型電子顕微鏡を用いた非晶質状態の直接観察やガラスの結晶化挙動を加熱その場観察できる実験技術について解説する。

1. 硫黄系ガラスセラミックス
   1. 全固体電池について
   2. Li2S-P2S5系固体電解質材料について
2. 透過型電子顕微鏡を用いた電池材料の構造・組織変化の解析について
   1. 電子回折法による構造解析
   2. ホローコーン暗視野法による微細構造観察
   3. 電子線PDF法による局所構造解析
   4. 高温TEMその場観察
3. 最近の研究から
• 質疑応答

第2部 全固体電池における界面の観察技術と界面抵抗測定

(2021年4月9日 13:00〜14:30)

　近年、有機溶媒電解質のLiイオン伝導度を凌ぐ超イオン伝導固体電解質が開発され、全固体電池の高出力化が期待されています。しかし、全固体Li電池には固体電解質/電極界面抵抗が高いという課題があり、大電流を流しても電気化学的に堅牢で、かつ高速にLiイオンを輸送できる界面を構築しなければなりません。そのためには、原子スケールで界面抵抗の起源を明らかにすることが重要です。 　本講座においては、原子スケールで界面構造を観察し、その構造と界面抵抗における相関を明らかにするために薄膜型全固体Li電池を活用した研究を紹介します。単純積層構造で構成された薄膜型電池にエピタキシャル薄膜技術を活用することで、結晶方位や界面構造を原子レベルで規定した電極を作製できます。さらに、界面が不純物で汚染されないように全真空プロセスで電池を作製することで清浄界面を形成します。これにより、界面抵抗の定量評価に適した理想的なモデル電池が形成されています。このような清浄かつ原子レベルで規定された固体電解質/電極界面に対し、先端界面計測技術を利用した研究結果も併せて本講座でご紹介します。

1. 全固体電池の特徴
2. 全固体Li電池の課題
3. 全固体Li電池における界面計測事例
4. 固体電解質/電極界面抵抗起源解明に向けた全固体Li電池研究
   1. 薄膜型全固体Li電池の活用
   2. エピタキシャル薄膜作製技術の活用
   3. 全真空プロセスにおける清浄界面形成
   4. 固体電解質/電極界面抵抗の定量的研究
5. 超低抵抗界面形成の研究紹介
   1. LiCoO2活物質を利用したモデル界面形成
   2. 5V級正極活物質LiNi0.5Mn1.5O4をモデル電極にした界面研究
• 質疑応答

第3部 X線を用いた固体電解質/電極界面の構造解析

(2021年4月9日 14:40〜16:10)

　表面X線回折法を用いた、エピタキシャル正極薄膜を構成要素とする全固体電池界面の非破壊原子レベル解析について紹介します。界面の原子配列が界面のイオン輸送抵抗に与える影響を実際の解析例により示します。また、独自の高速測定法を用いたオペランド観察により明らかになった、充放電中の正極内部および界面構造の変化を紹介し、充放電過程の理解に有効なツールであることを示します。

1. 放射光を用いた表面X線回折による界面構造の原子レベル解析について
2. 固体電解質/正極界面の構造と界面イオン輸送抵抗
3. 界面挿入層によるエネルギーバンドアライメント効果
4. オペランド計測による固体電解質/正極界面の動的構造変化の観察
• 質疑応答