活物質―固体電解質界面をその場形成した全固体リチウム硫黄電池の作製と電池特性評価

全固体リチウム硫黄電池では、正極内の硫化物固体電解質が充電過程で酸化分解し、長期的なサイクル特性を低下させる。したがって、全固体リチウム硫黄電池における電池性能の向上には、正極複合体内の硫化物固体電解質の分解挙動を理解することが重要である。硫化物固体電解質は酸化分解後、酸化還元活性な分解生成物に変換され、可逆的な酸化還元反応を示すことが知られている。しかし、全固体リチウム硫黄電池における硫化物固体電解質の分解挙動は未だ不明瞭である。本研究課題では、正極活物質Li2Sと硫化物固体電解質Li3PS4、炭素材料を遊星型ボールミリングで混合した正極複合体を作製し、正極複合体について電気化学測定およびラマン分光測定を行い、全固体リチウム硫黄電池の充放電中の電解質分解挙動を解析した。基礎的な電気化学測定から、全固体リチウム硫黄電池の酸化還元反応は、正極活物質の酸化還元反応以外にLi3PS4の酸化分解、Li3PS4の分解生成物の酸化還元反応を含むことが分かった。長期サイクル後、正極活物質は電気化学的な活性を失い、Li3PS4の分解生成物のみが酸化還元反応を示した。したがって、全固体リチウム硫黄電池の長期的な電池性能はLi3PS4の分解生成物の電気化学的な酸化還元活性に支配される。20サイクル後の正極複合体についてラマン分光測定を行ったところ、S-S結合に由来するピークが検出された。これらの実験結果から、全固体リチウム硫黄電池は、充放電過程を経て正極活物質と硫化物固体電解質が反応し、長鎖の架橋硫黄を含むチオリン酸に変換されることが示された。また、Li2Sに微量のP2S5を添加することで、充放電中の電解質分解を抑制し、長期的に安定な電池特性が得られた。

全固体リチウム硫黄電池では、正極内の硫化物固体電解質が充電過程で酸化分解し、長期的なサイクル特性を低下させる。したがって、全固体リチウム硫黄電池における電池性能の向上には、正極複合体内の硫化物固体電解質の分解挙動を理解することが重要である。硫化物固体電解質は酸化分解後、酸化還元活性な分解生成物に変換され、可逆的な酸化還元反応を示すことが知られている。しかし、全固体リチウム硫黄電池における硫化物固体電解質の分解挙動は未だ不明瞭である。本研究課題では、正極活物質Li2Sと硫化物固体電解質Li3PS4、炭素材料を遊星型ボールミリングで混合した正極複合体を作製し、正極複合体について電気化学測定およびラマン分光測定を行い、全固体リチウム硫黄電池の充放電中の電解質分解挙動を解析した。基礎的な電気化学測定から、全固体リチウム硫黄電池の酸化還元反応は、正極活物質の酸化還元反応以外にLi3PS4の酸化分解、Li3PS4の分解生成物の酸化還元反応を含むことが分かった。長期サイクル後、正極活物質は電気化学的な活性を失い、Li3PS4の分解生成物のみが酸化還元反応を示した。したがって、全固体リチウム硫黄電池の長期的な電池性能はLi3PS4の分解生成物の電気化学的な酸化還元活性に支配される。20サイクル後の正極複合体についてラマン分光測定を行ったところ、S-S結合に由来するピークが検出された。これらの実験結果から、全固体リチウム硫黄電池は、充放電過程を経て正極活物質と硫化物固体電解質が反応し、長鎖の架橋硫黄を含むチオリン酸に変換されることが示された。また、Li2Sに微量のP2S5を添加することで、充放電中の電解質分解を抑制し、長期的に安定な電池特性が得られた。