水蒸気焼成による正極活物質－固体電解質の固固界面接合の実現

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本研究では，酸化物表面での水酸基形成と脱水縮合反応を誘起させる加熱反応場の水蒸気に着目し，リチウムイオン電池の電極活物質と酸化物系固体電解質の固固界面接合を水蒸気焼成で実現することを目的とする。令和4年度は，正極活物質表面に作用する水蒸気の影響を調査するため，水蒸気分圧を精緻に制御可能な調湿器を新たに導入し，高水蒸気分圧下での正極活物質の加熱を試みた。その結果，水蒸気分圧の増加による正極活物質の構造変化が認められた。詳細な表面分析より，活物質粒子表面の数十nmの範囲において構造変化が生じていることを明らかにした。このことから，水蒸気が活物質表面に強く作用していることが示唆された。水蒸気焼成で促進される粒子間接合や粒成長を応用し，これまでに作製に成功している多孔質酸化マンガン球の単粒子圧縮挙動を調査した。多孔質球一粒を2本のカンチレバーで挟み込み，走査型電子顕微鏡内で圧縮させ，外部応力に伴う変形距離をその場観察することで単粒子での応力－歪曲線を得た。その結果，粒子径3μmの多孔質球では変形を許容することが可能で，2段の圧縮挙動を示した。一方，粒子径10μmのものでは，変形することなく破壊した。小粒子径のものでは内部細孔が応力緩和に寄与できるため，固体電解質ナノ粒子の挿入や充放電時の体積変化に対する構造保持にも効果的である可能性が示された。以上の成果は，Scientific ReportsおよびAdvanced Powder Technology誌にて発表した。