東京工業大学

東京大学大学院理学系研究科

概要

東京工業大学 物質理工学院の西尾和記特任准教授と今関大輔大学院生（研究当時）、東京大学 大学院理学系研究科の一杉太郎教授（東京工業大学 物質理工学院 応用化学系 特任教授を兼務）らは、全固体リチウム電池の硫化物固体電解質と電極材料間における高い界面抵抗が、化学反応層形成によるものであることを明らかにした。さらに、界面への緩衝層の導入によってこの化学反応層形成を抑制し、界面抵抗を1/2,800に低減し、安定的な電池動作を実証した。

全固体リチウム電池は、電気自動車や定置用途の大型蓄電池として期待され、高性能化に向けた研究・開発が進められている。特に、高速充電を実現するために、硫化物固体電解質と電極材料間の高い界面抵抗の低減が急務である。しかしこの高い界面抵抗の起源はこれまで不明だった。

本研究では、Li₃PS₄固体電解質とLiCoO₂電極材料が接して界面を形成すると、LiCoO₂電極表面から約10 nm深さまでの構造変化や硫黄の拡散が生じることが分かった。これが化学反応層であり、それが界面に存在すると、極めて高い界面抵抗が生じ、電池動作しなかった。しかし、この界面へ緩衝層（Li₃PO₄薄膜）を導入すると、化学反応層の生成を抑制し、原子レベルで秩序だった界面の構造が維持できた。これが低い界面抵抗の実現につながり、安定した充放電が可能となった。また、硫化物固体電解質と電極材料間の界面について、界面抵抗の定量評価に初めて成功した。

本研究は、実用化が期待される全固体リチウム電池のさらなる高出力化に向け、界面抵抗の起源を解明した重要な一歩となる。研究成果は7月21日（米国時間）に米国化学会誌「ACS Applied Materials and Interfaces」にArticleとして掲載された。

 

図：(a) 作製した薄膜型全固体Li電池の模式図。(b) Li₃PS₄硫化物固体電解質とLiCoO₂電極の界面に緩衝層としてLi₃PO₄酸化物固体電解質を導入した場合の模式図。(c) Li₃PO₄緩衝層を導入しない場合のサイクリックボルタンメトリー法による測定結果。鋭いピークは観察されず、充電・放電反応が起きていない。(d) Li₃PO₄緩衝層（厚さ10 nm）を導入した場合の測定結果。3.9 V vs. Li/Li⁺で充電・放電反応を示した。

 

詳細については、東京工業大学 のホームページをご覧ください。