リチウム固体電解質界面での電気二重層効果の定量評価に成功 東京理科大ら

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東京理科大学理学部と物質・材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(WPI-MANA)らの研究グループは、2021年8月11日、電界効果トランジスタの仕組みを応用した新手法を開発し、これまで困難だった固体電解質での電気二重層効果の定量評価に成功したと発表した。さまざまな材料に応用し、高出力の次世代電池開発につながることが期待される。

全固体電池は、カーボンニュートラルに向けた次世代電池の最有力候補であり幅広い応用が期待されているが、電解質/電極界面の高い界面抵抗に由来する出力低下が本格的な普及への課題となっている。

高い界面抵抗の起源は明らかではないが、一因として界面近傍でのリチウムイオン濃度変化に起因する電気二重層効果の影響が疑われている。しかし、液体電解質に比べて材料内部で電荷補償が起こりやすい固体電解質では、電気二重層効果の検出や評価が困難だった。

そこで、研究グループは電界効果トランジスタの仕組みと化学的に不活性なダイヤモンドの特徴を利用し、ホール測定により固体電解質界面の電気二重層の電荷を評価する新手法を開発。リチウム固体電解質界面での電気二重層効果の定量評価に成功したという。

リチウムと酸素の他に異なる元素を含む2種類のリチウム固体電解質の界面を調べたところ、シリコンとジルコニウムを含むリチウム固体電解質A(Li-Si-Zr-O)ではダイヤモンド表面の正孔密度が電気二重層効果により3桁にわたって変化したが、チタンとランタンを含むリチウム固体電解質B(Li-La-Ti-O)では全く変化が観察されなかった。

これは、固体電解質Aでは界面で電気二重層効果が生じているのに対し、固体電解質Bでは内部で電荷補償が起こっていることを示す。さらに、ナノ薄膜を界面付近に挿入した実験では、正孔密度変化の挙動が界面から5ナノメートル以内の非常に薄い領域の電解質組成に支配されることが分かった。

電気二重層効果による正孔密度の変化が固体電解質Bで起こらない機構を調べると、電解質内部でチタンの酸化数変化が起こっていた。このことから、固体電解質Bでは、電解質内部での電荷補償がチタンの酸化還元反応によって起こっていると考えられるという。

今回の成果により、同手法で固体電解質の電気二重層効果を検出し評価できることや、電気二重層の挙動がリチウム固体電解質に含まれる元素により全く異なること、界面ごく近傍の電解質組成を制御することで電気二重層効果を数桁にわたって制御できることが分かった。

研究グループは今後、今回の成果をさまざまな元素を含む電解質材料に応用し、電気二重層の挙動を調査するとしている。また、電池における界面抵抗との比較により、界面抵抗の低減により高出力が可能な次世代電池の開発に活用していく。

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