Fabrication for Oxide-based All-solid-state Batteries at Low Temperature and Short Processing Time Using Cold Sintering

本研究では，コールドシンタリング（Cold Sintering, CS）法の酸化物全固体電池の低温・高速作製プロセスとしての可能性を探求し，加熱温度200～300℃，数10分程度の短時間での電極－固体電解質積層一括成型の実現に挑戦する。初年度は，固体電解質単体にCS法を適用し高密度成型を行い，得られた成型試料の構造解析とイオン伝導特性評価に注力した。固体電解質材料として，通常焼結体で室温下で10-4 S/cm以上のイオン伝導率を示すLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP)を用いた。比較のために，850℃での高温焼結で作製した試料は、92%の相対密度と0.25 mS/cmの室温伝導率を示した。CS法での成型を行う際に，最初に粉末と脱イオン水を重量比2:1で混錬した後，400MPaの一軸加圧下で200℃でCSを行ったが，成型試料は強度が低く十分に固化しなかった。対策として，事前に200℃, 400MPaで仮成型（相対密度60～70%程度）を行った後，脱イオン水を添加して真空含侵させてから400MPaの一軸加圧下で200℃でCSを行った結果，強度の高い成型体が作製できた。CS後に相対密度は最大で80%程度に向上しており，走査電子顕微鏡観察の結果，CS時に生成した析出物がLAGP粒子間に確認された。X線回折の結果からも，微量の異相由来のピークが検出され，これにより粒子間接合が達成されていると考えられる。インピーダンス測定により，CS法で成型した試料のイオン伝導率を評価した結果，通常焼結体には及ばないが，室温下で0.05～0.08 mS/cmの伝導率を得た。また，CS時に使用する溶媒をエタノールに変更した結果，CS後に生成する異相量を減少しつつ，成型密度が向上することを見出した。

本研究では，コールドシンタリング（Cold Sintering, CS）法の酸化物全固体電池の低温・高速作製プロセスとしての可能性を探求し，加熱温度200～300℃，数10分程度の短時間での電極－固体電解質積層一括成型の実現に挑戦する。初年度は，固体電解質単体にCS法を適用し高密度成型を行い，得られた成型試料の構造解析とイオン伝導特性評価に注力した。固体電解質材料として，通常焼結体で室温下で10-4 S/cm以上のイオン伝導率を示すLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP)を用いた。比較のために，850℃での高温焼結で作製した試料は、92%の相対密度と0.25 mS/cmの室温伝導率を示した。CS法での成型を行う際に，最初に粉末と脱イオン水を重量比2:1で混錬した後，400MPaの一軸加圧下で200℃でCSを行ったが，成型試料は強度が低く十分に固化しなかった。対策として，事前に200℃, 400MPaで仮成型（相対密度60～70%程度）を行った後，脱イオン水を添加して真空含侵させてから400MPaの一軸加圧下で200℃でCSを行った結果，強度の高い成型体が作製できた。CS後に相対密度は最大で80%程度に向上しており，走査電子顕微鏡観察の結果，CS時に生成した析出物がLAGP粒子間に確認された。X線回折の結果からも，微量の異相由来のピークが検出され，これにより粒子間接合が達成されていると考えられる。インピーダンス測定により，CS法で成型した試料のイオン伝導率を評価した結果，通常焼結体には及ばないが，室温下で0.05～0.08 mS/cmの伝導率を得た。また，CS時に使用する溶媒をエタノールに変更した結果，CS後に生成する異相量を減少しつつ，成型密度が向上することを見出した。