全固体電極材料の発熱メカニズム解明に前進――大阪府立大など、全固体リチウム電池実現に向けた熱安定性評価技術を開発

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大阪府立大学と物質・材料研究機構は2018年4月18日、全固体電極材料の熱安定性評価技術を開発したと発表した。全固体電極材料の発熱反応のメカニズム解明に向け前進したとともに、次世代全固体リチウム電池の実用化に大きく貢献するという。

現在、リチウムイオン二次電池は電気自動車などの車載用電源や家庭用大型蓄電池としての応用が期待されており、中でも可燃性有機溶媒を不燃性の無機固体電解質に置き換えた、全固体リチウム電池が安全性の観点から注目されている。さらに無機固体電解質の中でも特に硫化物系無機固体電解質は、酸化物系よりもイオン伝導度が高く、広い電位域において電気化学的に安定していることから、全固体リチウム電池への応用が期待されている。

全固体リチウム電池の実用化には、電池の発熱や発火などを抑えるなど安全性の確保が必須となる。また、発熱は電池の寿命を劣化させる要因にもなるため、電池材料の発熱挙動の評価や電池材料が示す発熱反応の要因解明が非常に重要となる。

これまで同研究グループは、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて全固体リチウム電池材料の熱的安定性を評価してきた。その一環として、硫化物系無機固体電解質の1つであるLi2S-P2S5ガラス電解質に着目し、非結晶状態やガラスの結晶化挙動をリアルタイムに直接観察する「加熱その場観察」ができる実験技術を開発した。

今回の研究では、TEM観察技術と第一原理計算を組み合わせて、正極活物質LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2とLi2S-P2S5からなる正極複合体が示す発熱反応の要因について検討した。その結果、全固体リチウム電池用正極複合体が示す発熱反応の主たる要因は無機固体電解質の結晶化であること、正極複合体の発熱反応には活物質との界面接触に起因する無機固体電解質の分解反応が関与していることを初めて明らかにしたという。

このような加熱その場観察と第一原理計算を組み合わせた発熱挙動の解析手法は、ほかの電池材料への応用も大いに期待できるといい、同研究グループは今後、電池材料の発熱挙動とその要因について多角的に評価し、全固体リチウム電池の実用化に貢献していく考えだ。

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