高容量と高出力を兼ね備えた全固体電池用電極材料の創製と電極反応メカニズムの解明

高容量電極材料である硫黄や硫化リチウム電極に対して様々な固体界面構築手法を適用することで、全固体電池の高容量化および高出力化を達成した。また、in-situ XRD測定や高分解能TEM観察を行うことで、充放電反応メカニズムを解明した。充電後にアモルファス硫黄、放電後に微結晶の硫化リチウムが形成することを明らかにした。充放電を繰り返してもこの可逆的な反応が進行することから、高容量かつ良好なサイクル特性を示すことがわかった。また、全固体リチウム金属電池におけるin-situ SEM観察を確立し、充放電中のリチウム金属の溶解・析出挙動を初めて明らかにした。その結果、高い電流密度下において、固体電解質の粒界に沿ってリチウムがデンドライト成長することを明らかにした。この知見をもとに固体電解質の粒界を低減させる軟化融着を行うことで、リチウム金属負極を用いた電池のハイレート作動を実現した。MM法を用いて作製した金属リン化物(Sn_4P_3,ZnP_2など)を全固体電池の負極活物質に適用した。これらの電極活物質に対して電気化学的にLi^+イオンと反応させることで、SnやZnなどの金属ナノ粒子まわりに高いリチウムイオン伝導性のLi_3P固体電解質マトリックスを自己形成することが考えられる。これらの負極活物質のみ(固体電解質や導電助剤を含まない)を電極に用いた全固体電池が充放電可能であることを明らかにした。さらに、充放電前後における電極-電解質界面における微細組織観察を行った。従来の合金系電極と比較して体積変化が小さいことに加え、充放電を繰り返した後でも良好な電極-電解質界面を保持することを明らかにした。

高容量電極材料である硫黄や硫化リチウム電極に対して様々な固体界面構築手法を適用することで、全固体電池の高容量化および高出力化を達成した。また、in-situ XRD測定や高分解能TEM観察を行うことで、充放電反応メカニズムを解明した。充電後にアモルファス硫黄、放電後に微結晶の硫化リチウムが形成することを明らかにした。充放電を繰り返してもこの可逆的な反応が進行することから、高容量かつ良好なサイクル特性を示すことがわかった。また、全固体リチウム金属電池におけるin-situ SEM観察を確立し、充放電中のリチウム金属の溶解・析出挙動を初めて明らかにした。その結果、高い電流密度下において、固体電解質の粒界に沿ってリチウムがデンドライト成長することを明らかにした。この知見をもとに固体電解質の粒界を低減させる軟化融着を行うことで、リチウム金属負極を用いた電池のハイレート作動を実現した。MM法を用いて作製した金属リン化物(Sn_4P_3,ZnP_2など)を全固体電池の負極活物質に適用した。これらの電極活物質に対して電気化学的にLi^+イオンと反応させることで、SnやZnなどの金属ナノ粒子まわりに高いリチウムイオン伝導性のLi_3P固体電解質マトリックスを自己形成することが考えられる。これらの負極活物質のみ(固体電解質や導電助剤を含まない)を電極に用いた全固体電池が充放電可能であることを明らかにした。さらに、充放電前後における電極-電解質界面における微細組織観察を行った。従来の合金系電極と比較して体積変化が小さいことに加え、充放電を繰り返した後でも良好な電極-電解質界面を保持することを明らかにした。