全固体リチウム電池、中間層挿入で応答速度を改善：リチウム伝導体を用いEDL効果を制御

東京理科大学と物質・材料研究機構（NIMS）の研究チームは、全固体リチウム電池の電気二重層容量を制御することで、充電時のスイッチング応答速度を大幅に改善させることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

中間層に膜厚5nmのLiNbO₃／Li₃PO₄を挿入

　東京理科大学と物質・材料研究機構（NIMS）の研究チームは2023年3月、全固体リチウム電池の電気二重層容量（C_EDL）を制御することで、充電時のスイッチング応答速度を大幅に改善させることに成功したと発表した。

　全固体リチウム電池の出力密度や耐久性を向上させるためには、固体／固体電解質界面の電気二重層（EDL）効果を制御することが重要だといわれてきた。しかし、固体／固体電解質界面における詳細なEDL構造についてはこれまで、十分な知見が得られていなかったという。

　東京理科大学の樋口透准教授らはこれまで、EDLトランジスタ（EDLT）とホール測定を用い、電極／固体電解質界面に特定の電解質を挿入することで、EDL効果を抑制できることを明らかにしてきた。そこで今回、水素化ダイヤモンド（H-diamond）ベースのEDLTとリチウム固体電解質（Li-Si-Zr-O）を用いて、固体／固体電解質界面におけるEDLの厚さとC_EDLについて調べた。

　具体的には、H-diamondを半導体のチャネルに採用し、中間層として膜厚が5nmのLiNbO₃あるいはLi₃PO₄を挿入したEDLTを作製した。このEDLTを用い、EDLが引き起こすリチウムイオン伝導性固体電解質／電子材料界面における電子キャリア変調の振る舞いを調べた。これにより、LiNbO₃とLi₃PO₄デバイスの両方で、EDL形成によって正孔密度が著しく変調するのを観測できたという。

　さらに、Li⁺欠乏領域でC_EDLを評価できる「ホール測定」と、Li⁺リッチ領域でC_EDLを定性的に評価できる「パルス応答測定」を組み合わせ、広い範囲でC_EDLを評価した。この結果、LiNbO₃／H-diamond界面とLi₃PO₄／H-diamond界面のC_EDLは電圧依存性が大きく、リチウム固体電解質で観測されるスイッチング応答速度に比べ、1桁以上も加速または減速効果を引き起こすことが分かった。

　また、LiNbO₃デバイスのパルス応答測定結果から、LiNbO₃／H-diamond界面のEDL厚さは5Åで、負電荷Li⁺空孔の計算密度は1.21mmol/cm³であることも確認したという。

今回の研究概要（クリックで拡大） 出所：東京理科大学他

　今回の研究成果は、東京理科大学理学部第一部応用物理学科の樋口透准教授、同大学大学院理学研究科の高柳真博士（2022年博士課程修了）、NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の土屋敬志主幹研究員、寺部一弥MANA主任研究者らによるものである。