Creation of Innovative All-Solid-State Sodium Batteries by Integrating Glass Crystallization Techniques and Solid-State Ionics

我々が提案するナトリウム系酸化物系全固体電池は、ガラスが示す軟化流動と結晶化を積極的に活用し、全固体電池の開発で重要となる異種材料間の界面形成に優位である。本研究では全固体電池の開発に資する新材料創生とレーザープロセスによる革新的な界面形成プロセスの確立を推進する。本年度は１）ナトリウム系全固体電池のレーザープロセスによる正極活物質の非晶質化と溶融池からの結晶成長、２）スズケイ酸系新規負極活物質の創生、そして、３）レーザープロセスによるビスマス系ガラス負極の局所溶融と結晶化機構の解明を推進したところ以下の成果を得た。鉄イオンは原子価状態によって種々の波長に大きな光吸収を持つ。つまり光吸収と多フォノン緩和を活用することで局所的な加熱を達成できる。そこで、正極活物質であるNa2FeP2O7、NaFePO4および、NaFeO2へのレーザー照射と形態変化を評価した。Na2FeP2O7とNaFePO4への照射では溶融池の急冷によって緻密なガラス膜が得られることが分かった。NaFePO4は一般的な溶融法では作製困難であることが分かっており、熱容量の小さい領域の局所溶融によって新たな組成でのガラス作製の可能性を見出した。また、NaFeO2へのレーザーでは溶融池からのNaFeO2の結晶成長を確認した。スズケイ酸系の負極結晶化ガラスの熱処理でスズとFeSn2のナノ粒子が高濃度に分散した複合セラミックスの合成を合成し、粒子サイズと析出結晶の分率と充放電特性との相関を明らかにした。ビスマスケイ酸塩ガラスの熱処理でも同様に微細なビスマスナノ粒子が分散した結晶化ガラスを合成し、負極活物質としての機能性を明らかにした。さらにレーザー光の吸収イオンとして銅イオンを添加したガラスの作製とレーザーによる局所溶融を確認し、正極のみならず負極活物質においてもレーザープロセスを適用できることを明らかにした。

我々が提案するナトリウム系酸化物系全固体電池は、ガラスが示す軟化流動と結晶化を積極的に活用し、全固体電池の開発で重要となる異種材料間の界面形成に優位である。本研究では全固体電池の開発に資する新材料創生とレーザープロセスによる革新的な界面形成プロセスの確立を推進する。本年度は１）ナトリウム系全固体電池のレーザープロセスによる正極活物質の非晶質化と溶融池からの結晶成長、２）スズケイ酸系新規負極活物質の創生、そして、３）レーザープロセスによるビスマス系ガラス負極の局所溶融と結晶化機構の解明を推進したところ以下の成果を得た。鉄イオンは原子価状態によって種々の波長に大きな光吸収を持つ。つまり光吸収と多フォノン緩和を活用することで局所的な加熱を達成できる。そこで、正極活物質であるNa2FeP2O7、NaFePO4および、NaFeO2へのレーザー照射と形態変化を評価した。Na2FeP2O7とNaFePO4への照射では溶融池の急冷によって緻密なガラス膜が得られることが分かった。NaFePO4は一般的な溶融法では作製困難であることが分かっており、熱容量の小さい領域の局所溶融によって新たな組成でのガラス作製の可能性を見出した。また、NaFeO2へのレーザーでは溶融池からのNaFeO2の結晶成長を確認した。スズケイ酸系の負極結晶化ガラスの熱処理でスズとFeSn2のナノ粒子が高濃度に分散した複合セラミックスの合成を合成し、粒子サイズと析出結晶の分率と充放電特性との相関を明らかにした。ビスマスケイ酸塩ガラスの熱処理でも同様に微細なビスマスナノ粒子が分散した結晶化ガラスを合成し、負極活物質としての機能性を明らかにした。さらにレーザー光の吸収イオンとして銅イオンを添加したガラスの作製とレーザーによる局所溶融を確認し、正極のみならず負極活物質においてもレーザープロセスを適用できることを明らかにした。