全固体リチウム2次電池のイオニクス界面ナノ構造設計

リチウム2次電池は,高作動電圧,高エネルギー密度から,小型で軽量な電池を構成でき,モバイル機器の駆動電源として使用されているが,一般に,電解質は可燃性の有機電解液で,液漏れ,発火の危険性があり,安全性の確保が大きな課題である.そのため,本質的な安全性の改善を目指して,可燃性の有機電解液を不燃性の固体電解質に置換する全固体リチウム2次電池の研究開発が進められている.電池の起電反応は活物質と電解質の界面で生じることを考えると,界面特性制御も視野に入れた正極/電解質/負極の材料の選定は非常に重要である.本研究では,正極としてLiCoO_2,固体電解質としてLLT((Li,La)TiO_3)を取り上げ,正極/電解質界面に的を絞って,この界面に電気化学的活性を持続的に付与するための条件を界面のナノ構造制御の観点から明らかにすることを目的とした.固体電解質LLTに正極LiCoO_2を貼付して電気化学特性を測定すると,界面構造の相違によりサイクル特性が大きく異なる.すなわち,LLTをへき開し正極を貼付したもの(へき開材)は,へき開後,機械研磨を経て正極を貼付したもの(機械研磨材)よりもはるかにサイクル特性が悪く,前者の充放電の過電圧はサイクル毎に変化するのに対し,後者のそれはサイクル数に依存しない.これは,へき開材ではLLTにLiCoO_2が直接接しているのに対し,機械研磨材では界面のところどころに島状にLLTの非晶質層がナノスケールで形成されてLLT非晶質層が,充放電に伴う正極の収縮・膨張により界面に生じる応力を緩和し割れを防止する役割を果たすためである.そのため,電気化学サイクル後には,へき開材では正極/電解質界面に沿って割れが発生するのに対し,機械研磨材では全く割れが発生しない.LLT単結晶についても同様の結果を得,{110}を最も持続的な電気化学特性を与える表面方位として決定した.

リチウム2次電池は,高作動電圧,高エネルギー密度から,小型で軽量な電池を構成でき,モバイル機器の駆動電源として使用されているが,一般に,電解質は可燃性の有機電解液で,液漏れ,発火の危険性があり,安全性の確保が大きな課題である.そのため,本質的な安全性の改善を目指して,可燃性の有機電解液を不燃性の固体電解質に置換する全固体リチウム2次電池の研究開発が進められている.電池の起電反応は活物質と電解質の界面で生じることを考えると,界面特性制御も視野に入れた正極/電解質/負極の材料の選定は非常に重要である.本研究では,正極としてLiCoO_2,固体電解質としてLLT((Li,La)TiO_3)を取り上げ,正極/電解質界面に的を絞って,この界面に電気化学的活性を持続的に付与するための条件を界面のナノ構造制御の観点から明らかにすることを目的とした.固体電解質LLTに正極LiCoO_2を貼付して電気化学特性を測定すると,界面構造の相違によりサイクル特性が大きく異なる.すなわち,LLTをへき開し正極を貼付したもの(へき開材)は,へき開後,機械研磨を経て正極を貼付したもの(機械研磨材)よりもはるかにサイクル特性が悪く,前者の充放電の過電圧はサイクル毎に変化するのに対し,後者のそれはサイクル数に依存しない.これは,へき開材ではLLTにLiCoO_2が直接接しているのに対し,機械研磨材では界面のところどころに島状にLLTの非晶質層がナノスケールで形成されてLLT非晶質層が,充放電に伴う正極の収縮・膨張により界面に生じる応力を緩和し割れを防止する役割を果たすためである.そのため,電気化学サイクル後には,へき開材では正極/電解質界面に沿って割れが発生するのに対し,機械研磨材では全く割れが発生しない.LLT単結晶についても同様の結果を得,{110}を最も持続的な電気化学特性を与える表面方位として決定した.