低い界面抵抗を実現し、超高速充放電の実証に成功しました。全固体電池の開発は、世界中で競争となっています。この実用化のために解決すべき課題の1つが、高電圧を発生する電極と固体電解質が形成する界面でのリチウムイオンの抵抗低減です。界面抵抗低減についての明確な方策はなく、実現性は不明でした。本研究では、薄膜作製技術と超高真空プロセスを工夫して、高電圧を発生する電極材料Li(Ni0.5Mn1.5)O4を用いて、固体電解質と電極との良好な界面を作製しました。その結果、極めて低い界面抵抗を実現できました。その界面は大きな電流を流しても安定で超高速充電が可能であることを実証しました。実用化に向けて重要な一歩となるのみならず、固体電解質と電極の界面におけるイオン輸送の学理構築にもつながります。Interfaces」オンライン版に掲載されました。固体の電解質を用いる全固体電池は、高いエネルギー密度[用語1]と安全性を兼ね備えた究極の電池として、早期の実用化が期待されています。注目されており、研究が活発化しています。固体電解質と電極が形成する界面における抵抗(界面抵抗)が高く、リチウムイオンの移動が制限されてしまうため、高速での充放電が困難でした。高速充放電が実現すれば、携帯電話やパソコンが数分で充電完了することも夢ではありません。おける界面抵抗の低減、さらには高速充放電の実証は、喫緊の課題でした。本研究グループでは、薄膜作製技術と超高真空プロセスを活用し、Li(Ni0.5Mn1.5)O4エピタキシャル薄膜[用語2]を用いた理想的な全固体電池を作製しました(図1)。Ωcm2という極めて低い値となることを見出しました(図2)。これは、従来の全固体電池での報告より2桁程度低く、液体電解質を用いた場合と比較しても1桁程度低い値です。eV程度)を示すことがわかりました。本研究で作製した全固体電池の概略図(左)と写真(右)図2.本全固体電池の界面抵抗の測定結果(交流インピーダンス測定)。x軸が実部、y軸が虚部に対応する。mA/cm2という大電流でも安定して高速充放電することに成功しました。100回の超高速充放電では、電池容量の変化は全く見られず、リチウムイオンの高速な移動に対して、固体電解質と電極の界面が安定であることを実証しました。(図3)また、全固体電池の構造解析を行った結果、固体電解質と電極の界面を形成した直後に、固体電解質から電極へ、リチウムイオンが自発的に移動することも明らかになりました。Vへ、全固体電池を高出力化する道筋が見えてきました。おける界面抵抗の低減や高速充放電の実証は、全固体リチウム電池の実用化の鍵であり、実用化を目指す上で、大きな一歩です。今回見出した固体電解質と電極の界面におけるリチウムイオンの自発的な移動は、界面近傍でのイオン輸送についての学理を構築する上でも意義深いものです。今後、詳細な界面構造の解析により、さらなる電池特性の向上につながる界面設計指針の構築が期待されます。(CREST)「超空間制御に基づく高度な特性を有する革新的機能素材等の創製」の支援を受けて行われました。電池から取り出すことのできるエネルギー量の値。単位体積や単位質量などで規格化される。基板となる結晶の上に成長させた薄膜で、下地の基板と薄膜の結晶方位が揃っているもの。良好な界面の作製によく用いられる。液体電解質と同等のイオン伝導度を有する固体電解質。図に誤りがあったため、修正しました。教職員向け(学内限定)。