全固体リチウム二次電池北海道大学大学院工学研究院応用化学部門教授忠永清治特任助教三浦章 1 背景各種携帯機器やハイブリッド自動車の普及に伴い、高エネルギー密度二次電池の重要性がますます高まりつつある。高いパフォーマンスを示すリチウムイオン二次電池は安全性に問題を抱えており、その安全性・信頼性を飛躍的に高めるには、電池の全固体化が有効であることが広く認識されている。 2 従来技術とその問題点（１）リチウムイオン二次電池の電解質として有機溶剤を用いた電解液やゲル電解質が用いられているが、液漏れや発火・爆発に対する危険性が完全には払拭できず、大型化や医用への応用が困難である等の問題点がある。（２）硫化物固体電解質を用いたリチウム二次電池は、可燃性の有機電解液を持たないため、従来のリチウムイオン二次電池と比べて飛躍的に高い安全性を有しているが、酸化物電極材料を用いた場合、硫化物固体電解質と電極材料界面で高抵抗層が形成されてしまう。（３）全固体電池では電極・電解質界面の面積増加のために、電極活物質と固体電解質を複合化した電極複合体を用いるが、複合化によりエネルギー密度が低下する。 3 新技術（特願2015-213703）の内容電極材料として、層状硫化物結晶NiPS3に着目 NiPS3の特徴・LixNiPS3 (0<x<1.5)においてインサーション反応・理論容量：約220 mAh g-1 (x=1.5) ・速いLi+拡散・高い電子伝導性 Ni S P NiPS3の結晶構造 4 NiPS3電極材料への期待 Li2S-P2S5系固体電解質との良好な電極-電解質界面の構築電解質と同じP,S元素を含むため, 良好な電極-電解質界面を構築できると考えられる。電極複合材料の活物質の割合増加による高エネルギー密度化速いLi+拡散、高い電子伝導性を有することより、電極複合材料の固体電解質の割合を減らしても,安定した充放電が期待される。電池全体に占める電極活物質の割合を増やすことができる。全固体電池の構成のモデル図 5 新技術の特徴・従来技術との比較１．硫化物固体電解質と良好な電解質･電極界面の構築が期待できる。２．速いLi+拡散、高い電子伝導性を有することより、電極複合材料の固体電解質の割合を減らしても安定した充放電が期待できる。 6 NiPS3電極材料の作製 NiPS3の作製法[1] [1] Y.V. Kuzminskii, B.M. Voronin, N.N. Redin, J. Power Sources, 189 (1995) 133 7 全固体リチウム二次電池の構築 NiPS3 80Li2S･20P2S5ガラス気相成長炭素繊維(VGCF) 8 充放電曲線放電充電･充放電挙動が観測された。･15サイクル後において約85 mAh g-1の放電容量を示した。 9 想定される用途 •自動車用リチウム二次電池 •大型蓄電システム想定される業界 • 自動車関連材料メーカー • セラミックス • 電池関連材料メーカー 10 実用化に向けた課題と企業への期待 •全固体電池の実用化・事業化のためには、コスト等も含め、解決すべき課題は少なくない。 •電極－電解質間の固体界面の設計が最重要課題。 •材料関連企業の固体電池関連材料に対する積極的とりくみに期待。 11 本技術に関する知的財産権 •発明の名称：電極活物質、電池及び電極活物質の製造方法 •出願番号：特願2015-213703 •出願人：北海道大学 •発明者：忠永清治、三浦章 12 お問い合わせ先北海道大学産学・地域協働推進機構産学推進本部山口茂彦ＴＥＬ０１１－７０６－９５５４ＦＡＸ０１１－７０６－９５５０ [email protected] 13