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

利用冷烧结在低温和短加工时间内制造氧化物基全固态电池

基本信息

批准号：
22K18793
负责人：
稲田亮史
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

In this study, the possibility of low-temperature and high-speed operation of acid-based all-solid battery by Cold Sintering (CS) method was investigated. The electrode-solid electrolyte laminate was heated at 200~300℃ for several 10 minutes, including the formation of the electrode-solid electrolyte laminate. In the early years, the CS method for solid electrolyte monomer was applied to high density molding, and the structural analysis and conductivity evaluation of molded samples were obtained. Solid electrolyte materials are usually sintered at room temperature and have a thermal conductivity of 10-4 S/cm or more, such as Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP). For comparison, the samples sintered at 850℃ have a relative density of 92% and a room temperature conductivity of 0.25 mS/cm. CS method during molding process, the initial powder and de-ionized water weight ratio of 2:1 after mixing, 400MPa and one axis pressure at 200℃ CS process, molding sample strength is very low, curing. For this reason, after molding at 200℃ and 400MPa (relative density of 60~70%) in advance, water is added to remove the solvent, and the CS is processed at 200℃ and 400MPa under one-axis pressure. As a result, the molded body with high strength is manufactured. After CS, the phase contrast density is up to 80%. According to the results of electron microscope observation, the precipitates generated during CS are confirmed among LAGP particles. X-ray reflection results, trace amounts of out-of-phase origin, particle bonding, etc. The conductivity of the sintered sample was evaluated by CS method. The conductivity of the sintered sample was usually 0.05~0.08 mS/cm at room temperature. When CS is used, the solvent is changed, and the amount of phase difference generated after CS is reduced, and the molding density is increased.