光だけで充電可能な蓄電池開発に向けたモデル薄膜電池における光イオン脱離現象の解明

令和4年度は，(1)積層型の全固体光蓄電池の作製，(2)光電気化学測定による特性評価，(3)Operando X線回折法を用いた光充電中におけるLixTiO2電極の結晶構造変化測定，という3つの研究に取り組んだ．(1)：物理蒸着法を用いて，LaSrAlO4(001)基板上に，集電体CaRuO3膜，光電極NbドープTiO2膜の順に積層した．X線回折測定，X線反射率測定から，エピタキシャル成長した光電極/集電体膜の合成を確認した．この上に，非晶質固体電解質Li3PO4膜，負極リチウム膜の順に積層することで，積層型の全固体光蓄電池を作製した．(2)：暗所充放電測定では，anatase型TiO2へのリチウム脱挿入に起因する電位平坦部が観測されたことから，電池の動作を確認した．カットオフ電圧に到達し，定電圧充電時の電流が落ち着いた後に光を照射することで，光充電を試みた．カットオフ電圧を2.5 V以上に保持した場合，光照射時に電流が観測された．光電流により得られた光充電容量に対し，放電容量はほぼ同じであることから，可逆的な光充電-放電を確認した．光照射により生成した正孔は，LixTiO2の遷移金属であるTiを3価から4価へと酸化し，その電荷補償としてリチウムが脱離した（光充電した）と考えられる．(3)：放射光施設SPring-8において，Operando X線回折測定によりLixTiO2電極の結晶構造変化をその場測定した．暗所充電時と比較して，光充電時のLixTiO2 004反射は，よりダイナミックな変化を観測した．これより，光を駆動力としてリチウムが脱離していることを実証した．

令和4年度は，(1)積層型の全固体光蓄電池の作製，(2)光電気化学測定による特性評価，(3)Operando X線回折法を用いた光充電中におけるLixTiO2電極の結晶構造変化測定，という3つの研究に取り組んだ．(1)：物理蒸着法を用いて，LaSrAlO4(001)基板上に，集電体CaRuO3膜，光電極NbドープTiO2膜の順に積層した．X線回折測定，X線反射率測定から，エピタキシャル成長した光電極/集電体膜の合成を確認した．この上に，非晶質固体電解質Li3PO4膜，負極リチウム膜の順に積層することで，積層型の全固体光蓄電池を作製した．(2)：暗所充放電測定では，anatase型TiO2へのリチウム脱挿入に起因する電位平坦部が観測されたことから，電池の動作を確認した．カットオフ電圧に到達し，定電圧充電時の電流が落ち着いた後に光を照射することで，光充電を試みた．カットオフ電圧を2.5 V以上に保持した場合，光照射時に電流が観測された．光電流により得られた光充電容量に対し，放電容量はほぼ同じであることから，可逆的な光充電-放電を確認した．光照射により生成した正孔は，LixTiO2の遷移金属であるTiを3価から4価へと酸化し，その電荷補償としてリチウムが脱離した（光充電した）と考えられる．(3)：放射光施設SPring-8において，Operando X線回折測定によりLixTiO2電極の結晶構造変化をその場測定した．暗所充電時と比較して，光充電時のLixTiO2 004反射は，よりダイナミックな変化を観測した．これより，光を駆動力としてリチウムが脱離していることを実証した．