ブックタイトル鉱山2019年10月号

概要

鉱山2019年10月号

解質溶液の開発にも成功し，固体電解質・正極界面の接触性を改善している。電解質部分の薄膜化なども検討した結果，図3に示すようなエネルギー密度が得られている。コイン型の電池とラミネート式の電池でエネルギー密度の改良状況は異なるが，最近になり200 Wh kg -1の実効エネルギー密度を達成している。今後の研究によりさらにエネルギー密度の向上が期待される。この電池では黒鉛を負極に使用しているので，Li金属に負極を置き換えることができれば，400Wh kg -1の電池の作製が可能となるであろう。Li金属負極の利用に関する研究も実施し，固体電解質とLi金属界面の制御により短絡現象が生じにくい界面形成に成功しつつある[1]。今後も検討が必要であるが，革新的なエネルギー密度を具現化するにはLi金属負極の使用が大変重要である。正極活物質に関しても，硫黄正極の利用が検討されている。硫化物系固体電解質を使用しているので酸化物系の正極材料よりも，硫化物系材料の方が界面形成やその安定性において優位となる。また硫黄正極の容量は酸化物系正極の8倍程度あり高エネルギー密度電池の開発に適合している。既にセルの試作を実施し，安定な動作の確認と優れたサイクル特性を示すことを実証している。今後，応用に際して硫黄系正極か酸化物系正極を使用することになるであろう。この場合にも，負極にはLi金属は必要であり，図3硫化物系固体電池のエネルギー密度の変遷Li金属負極の開発がより一層重要となっている。5-2全固体電池（酸化物系固体電解質）酸化物系固体電解質を用いた電池の最大の問題は正極活物質あるいは負極活物質と固体電解質の界面接触である。これまでに種々の固体電解質が提案され電池の試作が行われてきた。例えば，Li 7 La 3 Zr 2 O 12（LLZO）にTaやAlをドープした固体電解質が使用されている。セパレーター部分にはこの材料を用いることができるが正極には使用できない。LLZOは固く変形しないため固体電解質との接触がうまく取れないからである。そこで，可塑性のある電解質の開発に取り組んできた。例えば，Li 3 BO 3やLi 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4のような比較的ソフトな材料を使用した電池の作製を行い，LLZOなどの硬い材料を使用しても充放電可能であることが示された[1]。この際に焼結あるいは熱処理が必要となる。焼結や熱処理の方法も重要であり，単純な電気加熱ではなく通電焼結法などを用いることで固体電解質と正極活物質の反応性を抑制しつつより緻密な正極層の作製が可能となる。また，低温での正極作製方法としてエアロゾル析出法がある。この方法でも緻密な正極層を作製することができる。図4に正極層の断面SEM写真を示す。密度が高く十分に正極活物質と固体電解質が密着している電極層の作製が可能となっている。この電極充放電曲線を図5に示す。電解液を使用したリチウム電池と同じような放電特性を得ることができている。今後，セルの抵抗を低減し大きな電流値でも充放電可能なセルの作製が期待される。焼結あるいは熱処理による電極層および電解質層の緻密化により電池の作製が行えるが，機械的な強度が大きな問題となる。薄い電解質層や正極層は衝撃により割れる可能性がある。このような問題を解決する一つの方法としてポリマーと固体電解質の複合体電解質の開発も進められている[1]。これにより柔軟性のある固体電解質シートを50 mm程度の厚みで作製することが－4－鉱山第779号2019年10月