成果報告書詳細
管理番号20140000000723
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 全結晶型リチウムイオン二次電池の研究開発
公開日2014/9/18
報告書年度2011 - 2013
委託先名国立大学法人信州大学 トヨタ自動車株式会社 学校法人芝浦工業大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 本事業では、全結晶型LIBの早期具現化に取り組んできた。具体的には、まず全結晶型LIBを構成する正極活物質、負極活物質および固体電解質の結晶材料をフラックス法により合成し、高品位な結晶がバツグンの電池性能をもつことの指導原理を実験的に検証した。次に、それらを引き続き結晶層として作り込み、電極体または固体電解質層としての性能を評価した。最終的には、各結晶層界面を原子レベルで強接合し、全結晶型LIBとして動作することを実証した。研究期間内で実施した内容は、以下の項目(1)-(4)のとおり。
 
(1)正極活物質結晶材料の開発
(2)負極活物質結晶材料の開発
(3)結晶電解質の開発
(4)全結晶型LIBの連続コーティング技術の確立
 (1)-(3)の成果を踏まえ、全結晶型LIBの製造装置を設計・製造するとともに、本事業の最終目標である全結晶型LIB動作を左右する活物質結晶層と結晶(固体・ガラス)電解質層の界面制御に注力した。
   連続式フラックスコーティング用結晶層作製装置の開発
 Roll-to-Roll方式の全結晶型LIB作製技術の確立に向け、A4サイズの電極を作製できるように、250 mm×200 mm領域で原料を塗布できるコーティング装置を設計・開発し導入した。これらの装置を用いて、150mm*90mmサイズのLCO結晶層/Al集電体電極の作製に成功した。
   全結晶型LIBの作製とその特性評価 -全結晶型LIB動作-
 全結晶型LIBの電池動作を実証するために、フラックスコーティング法により形成した活物質層と固体電解質層の各異相界面の接合に注力した。接合方法としてホットプレス法とガラスフラックス法を用いた。たとえば60 MPa300℃でプレスすることで、Pt/LNMO/LLZO/LTO/Pt積層体を作製した。室温、放電レート0.1 Cにおいて、負極活物質量から見積もった充電容量は110 mAhg-1であった。一方、現在までのところ、放電電流を取り出すことができていない。そこで中間層としてNb層をLNMO/LLZO界面に導入することを試みたが、依然界面抵抗は大きく、放電電流を取り出せなかった。しかし、自己放電による電流値の検出と電池電圧の降下が見られることから、電池内でキャリア伝導経路は形成されており、全固体電池として動作する可能性を見出せた。また、ガラスフラックス法によりLSBO中で直接育成したLCO結晶粒子85wt%とアセチレンブラック10%、PVDFを5%混合した合材電極を正極/固体電解質とし、LLZOセパレータ、Li負極からなる全固体電池を作製し、60℃で充放電反応が起こることを明らかにした。
英文要約 Our final goal is realization of a new possibility in all-crystal-state lithium ion rechargeable battery (LIB) for next generation LIB. Shinshu University, AIST and Toyota Motor Corporation, began to develop single crystalline lithium ion conductive oxides, including cathode, anode, and solid electrolyte for LIB by flux growth methods to realize our basic-concept that high quality crystals show higher LIB performance over current polycrystalline LIB materials. In order to from super ion conduction path from cathode to anode in LIB cells, in the next steps, we have developed new fabrication route for direct growth of LIB materials crystals layer on substrates with smart interfaces, such as active electrode materials crystals layers on metallic current collectors and solid state electrolyte crystal layer on active electrode materials crystals. Finally, we integrated cathode/solid electrolyte/anode layers and evaluated their all-solid-crystal LIB performances.
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