遷移金属硫化物におけるナトリウム含有型活物質モデルの新規構築

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昨年度までの検討で、高容量で長期サイクル可能な電正極活物質としてNa2FeS2を開発した。本年度では、電池全体の特性向上のボトルネックとなっている、活物質―固体電解質界面の特性向上の取り組みを行なった。一般的な固体電解質としては、イオン伝導度が高いNa3PS4が利用されているが、負極側界面で厚い界面反応相を形成し、電池性能が劣化することが報告されている。一方で、Na3BS3を利用した場合に、界面反応相の生成を抑制し、電池性能が劣化しづらいことを報告してきた。ここから本年度は、界面反応相の電子およびイオン伝導度が劣化要因を決定づけると考え、その組成を制御することが負極活物質との安定な界面形成を可能な固体電解質の設計に有効であることを明らかにした。具体的には、13~15 族の典型元素 M を中心とする固体電解質NaxMS4において、ナトリウム金属の溶解・析出反応の可逆性について評価し、その界面安定性の原因について解析をした。界面反応相において、Na2S に加えてナトリウムとの化合物Na-Mを生成する場合に、Na-Mの電子・イオン伝導性によって、界面反応の促進と界面の電荷移動の阻害が生じることを明らかにした。ここから、中心元素の選定によってNa-Mを生成しない元素(B, Al, Si)を利用することで、安定な界面設計が可能であることがわかった。特に、Na4SiS4 ガラス電解質が、高い界面安定性を示し、3×10-5 S cm-1 の高いイオン伝導度を示すことから、還元耐性の高い有望な固体電解質であることを見出した。また、Na4SiS4 ガラスを負極側固体電解質として利用した全固体ナトリウム電池では、室温で1C 以上の高速な充放電が可能であることを明らかにした。以上から、全固体ナトリウム電池の高性能化に向けて、活物質の探索とその最適化に向けた取り組みにおいて進捗をもたらせた。