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。

在本研究中，我们将探索冷烧结（CS）作为氧化物全固态电池低温、高速制造工艺的可能性，并探索冷烧结（CS）作为低温、高速制造工艺的可能性。 -氧化物全固态电池的高温、高速制造工艺，尝试实现电极-固体电解质层压一次性成型。第一年，我们将CS方法应用于单一固体电解质进行高密度成型，并重点对获得的成型样品进行结构分析和离子传导性能评估。作为固体电解质材料，使用通常烧结且在室温下离子电导率为10-4S/cm以上的Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP)。作为比较，850℃高温烧结制备的样品的相对密度为92%，室温电导率为0.25 mS/cm。采用CS法成型时，首先将粉末和去离子水以2:1的重量比捏合，然后在200℃、400MPa的单轴压力下进行CS，但成型样品的强度较低。没有充分凝固。作为对策，在200℃、400MPa（相对密度约60～70%）下预成型后，添加去离子水并进行真空浸渍，然后在200℃、400MPa的单轴压力下成型CS。我们能够制造出高强度的模制体。 CS后，相对密度最大提高到80%左右，扫描电镜显示在LAGP颗粒之间观察到CS过程中形成的沉淀物。根据X射线衍射的结果，检测到少量的来自不同相的峰，并且认为由此实现了颗粒之间的结合。使用阻抗测量来评价使用CS法成型的样品的离子电导率，发现室温下的电导率为0.05至0.08mS/cm，尽管其低于普通烧结体的电导率。我们还发现，通过将 CS 过程中使用的溶剂改为乙醇，我们能够减少 CS 后产生的异相量并提高成型密度。