全固体ナトリウム‐硫黄電池の実現にむけた材料および構造に関する研究

本年度は、前年度に引き続き、従来の電極よりも高容量を示す「十硫化四リンを用いたアモルファス状硫黄電極」についての研究を行った。本年度は、核磁気共鳴分光 (NMR) 測定や光電子分光 (XPS) 測定などを測定し、全固体ナトリウム電池における十硫化四リンを用いたアモルファス状硫黄電極の構造解析を行った。これらの構造解析を複合的に考慮した結果、充放電に伴い、イオン伝導パスが形成される充放電機構を明らかにした。また、透過電子顕微鏡による硫黄電極の観察から、そのイオン伝導パスがナノスケールで結晶化している様子が観測された。一方、十硫化四リンを用いたアモルファス状硫黄電極を用いた全固体リチウム電池は、全固体ナトリウム電池より高容量を示す。全固体リチウム電池においても構造解析を行った結果、ナトリウム系と同様の充放電反応が進行していることが明らかになった。しかし、リチウム系においては、充放電後の結晶化は生じていないことが明らかになった。これらの結果から、ナトリウム系におけるイオン伝導パスの結晶化は容量劣化の要因になると考えられる。そこで、十硫化四リンの一部を二硫化ケイ素に置き換え多成分化することによって、この結晶化の抑制に成功した。その結果、充放電容量も増加し、全固体ナトリウム電池における最大の充放電容量を達成した。これらの研究内容に関しては、日本セラミックス協会や関西電気化学研究会などからポスター賞を受賞している。

本年度は、前年度に引き続き、従来の電極よりも高容量を示す「十硫化四リンを用いたアモルファス状硫黄電極」についての研究を行った。本年度は、核磁気共鳴分光 (NMR) 測定や光電子分光 (XPS) 測定などを測定し、全固体ナトリウム電池における十硫化四リンを用いたアモルファス状硫黄電極の構造解析を行った。これらの構造解析を複合的に考慮した結果、充放電に伴い、イオン伝導パスが形成される充放電機構を明らかにした。また、透過電子顕微鏡による硫黄電極の観察から、そのイオン伝導パスがナノスケールで結晶化している様子が観測された。一方、十硫化四リンを用いたアモルファス状硫黄電極を用いた全固体リチウム電池は、全固体ナトリウム電池より高容量を示す。全固体リチウム電池においても構造解析を行った結果、ナトリウム系と同様の充放電反応が進行していることが明らかになった。しかし、リチウム系においては、充放電後の結晶化は生じていないことが明らかになった。これらの結果から、ナトリウム系におけるイオン伝導パスの結晶化は容量劣化の要因になると考えられる。そこで、十硫化四リンの一部を二硫化ケイ素に置き換え多成分化することによって、この結晶化の抑制に成功した。その結果、充放電容量も増加し、全固体ナトリウム電池における最大の充放電容量を達成した。これらの研究内容に関しては、日本セラミックス協会や関西電気化学研究会などからポスター賞を受賞している。