全固体電池の高エネルギー密度化を実現する正極材料を開発――低融性のリチウム塩を添加し非晶質化 大阪府立大学

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大阪府立大学は2020年6月18日、低融性のリチウム塩を添加して酸化物系正極活物質を非晶質化することで、全固体電池の高エネルギー密度化に有用な正極材料を開発したと発表した。

従来全固体電池の電極活物質には、リチウムイオン電池で用いられている結晶性の遷移金属酸化物が転用されており、同大学によるとリチウムイオンの正極活物質の高容量化に必要な、遷移金属と酸素の両方の酸化還元による電荷補償が全固体電池に適用された例はない。これは、全固体電池は従来の電解液を用いる電池と比較して電極と電解質間の良好な接触が難しいこと、またリチウムイオン伝導経路の構築が困難であることが関係している。

今回の研究では、大容量のモデル正極活物質であるルテニウム酸リチウムに低融性リチウム塩である硫酸リチウムを添加し非晶質化した。構造解析により、非晶質部分は電極活物質および固体電解質(イオン伝導体)と固体との接触界面構築の2つの機能を発現していることを突き止めた。

作動特性の評価の結果、遷移金属であるルテニウムの酸化還元反応に加えて、酸素の酸化還元反応を伴う大容量充放電が生じていることが分かった。同大学によると、今回の研究成果は、バルク型(粉末成形型)の全固体電池において、世界初の酸素の酸化還元を伴う2電子反応の高容量充放電材料の実証例となる。

従来の全固体電池では固体電解質を大量に混合する必要があり、それがエネルギー密度低下の要因になっていたが、今回の研究で固体電解質がない状態でも大容量充放電が可能であることも証明し、次世代の電池用正極材料にも適用できると考えられるという。

高いイオン伝導性や高成形性を持つ正極材料は、全固体電池以外の従来の電解液を用いた正極活物質として利用した場合でも高出力での大容量放電が可能だという。またこの考え方はナトリウム電池などの次世代の電池用正極材料にも適用できるという。

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