全固体電池安定動作の要“電解質/電極界面イオン伝導”を操る

操纵“电解质/电极界面离子传导”，这是全固态电池稳定运行的关键

基本信息

批准号：
22H01967
负责人：
春田正和
金额：
$ 10.23万
依托单位：
Kindai University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01967/
关键词：
リチウムイオン電池全固体電池固体電解質

项目摘要

安全な電池として全固体電池の実用化のニーズは大きい。全固体電池の性能を大きく左右する固体電解質の選択が重要であり、ガーネット型のイオン伝導酸化物Li7La3Zr2O12(LLZ)が実用材料として広く研究されている。電池性能を表すLLZ/電極間のイオン伝導特性の報告は多いものの、この特性はLLZの表面組成や表面形態に強く依存しているため、本質的な特性の理解に至っていない。本研究課題のでは、LLZの表面処理から、分析、特性評価のすべてのプロセスを大気非暴露で行える実験環境を構築し、電解質/電極界面における本質的なイオン伝導機構を明らかにすることを目指す。①LLZ固体電解質の合成：固相合成法によりLLZ固体電解質のペレットを作製した。全固体電池の充放電動作時に固体電解質間をリチウム金属が貫いてショートを起こす問題があるが、これを回避するために焼結密度の高いLLZペレットの作製に取り組んだ。添加剤（焼結助剤）の検討を行い、添加量よび焼結条件の最適化を行った。②LLZ表面組成の分析：焼結後のLLZ表面および深さ方向の組成をX線光電子分光分析により調べた。イオン伝導の妨げとなる炭酸リチウム層が形成されており、全固体電池の安定動作のためにはこの界面層を除去する必要がある。LLZの研磨方法、およびLi電極の形成法を検討し、LLZ/Li界面抵抗を低減させた。③電解質/電極界面抵抗の低減：LLZはLiと濡れ性が悪いことに起因して良好な接触界面が得られず、界面抵抗の増加を招く。界面抵抗の低減を目指して、LLZとLi電極間に中間層を挿入し、複数の中間層において界面抵抗が減少した。

全固态电池作为安全电池的实际应用非常需要。固体电解质的选择非常重要，因为它极大地影响全固态电池的性能，石榴石型离子导电氧化物Li7La3Zr2O12（LLZ）作为实用材料正在被广泛研究。尽管有很多关于LLZ和电极之间的离子传导特性的报道，这表明了电池的性能，但该特性强烈依赖于LLZ的表面组成和表面形态，因此其基本特性尚未被了解。在这个研究项目中，我们的目标是建立一个实验环境，从LLZ表面处理到分析和表征的所有过程都可以在不暴露于大气的情况下进行，并阐明电解质/电极界面的基本离子传导机制。 ①LLZ固体电解质的合成：采用固相合成法制备LLZ固体电解质颗粒。全固态电池在充放电过程中，会出现锂金属渗透到固体电解质之间，导致短路的问题。为了避免这个问题，我们致力于制造高烧结密度的LLZ颗粒。我们研究了添加剂（烧结助剂）并优化了添加量和烧结条件。 ② LLZ表面成分分析：采用X射线光电子能谱研究了烧结后LLZ表面和深度方向的成分。形成的碳酸锂层阻碍了离子传导，为了全固态电池的稳定运行，必须去除该界面层。我们研究了 LLZ 抛光方法和 Li 电极形成方法，以降低 LLZ/Li 界面电阻。 ③降低电解质/电极界面电阻：LLZ与Li的润湿性较差，无法获得良好的接触界面，导致界面电阻增大。为了降低界面电阻，在LLZ和Li电极之间插入中间层，多个中间层降低了界面电阻。