Li金属負極採用の全固体電池、−25〜120℃で動作：新たな焼結機構を活用し課題解決

デンソーと九州大学の研究グループは、新しい焼結機構を活用することで、750℃という低温焼結とLi金属への安定性を両立させた「固体電解質」を開発したと発表した。Li金属負極を用いて作製した全固体電池は、−25〜120℃という広い温度範囲で動作することを確認した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

材料間で起こる連続的な相互反応により、低温で焼結が進行

　デンソーの林真大氏（研究当時は九州大学大学院総合理工学府博士課程3年）と九州大学大学院総合理工学研究院の渡邉賢准教授、島ノ江憲剛教授らによる研究グループは2024年2月、新しい焼結機構を活用することで、750℃という低温焼結とLi金属への安定性を両立させた「固体電解質」を開発したと発表した。Li金属負極を用いて作製した全固体電池は、−25〜120℃という広い温度範囲で動作することを確認した。

　酸化物電解質を用いた電池は、発火などがなく安全性が高い。ところが、材料間を接合するためには1000℃かそれ以上の高温で焼結する必要がある。この時、電極材と電解質材が反応するなどして電池化が難しかったという。

　研究グループはこれまで、電解質材の「Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZ）」に低融点焼結助剤をナノレベルで複合化し、750℃での焼結を実現してきた。しかし、焼結助剤を添加するため、負極材料となるLi金属に対する安定性を著しく低下させていた。今回は、新たな焼結機構を活用することで、これらの課題を解決した。

　熱分析や微細構造分析を行った結果、「Li-Sb-O酸化物」および「Li-B-O酸化物」という2種の焼結助剤と「CO₂」が、連続的に相互反応することが分かった。これによって、（Li）-B-O酸化物は溶融状態を維持し、低温で焼結が進行することを明らかにした。

Li-Sb-O酸化物とLi-B-O酸化物間で起こる連続的な相互反応スキーム［クリックで拡大］ 出所：九州大学

　この焼結機構を活用すれば、Biを含む材料組成を用いなくても低温焼結が可能となる。その上、Sbを含む組成に変更できるため、Li金属に対して安定性の高い固体電解質を開発することに成功した。イオン伝導率は3.1×10^-4S/cmを達成した。

　開発した材料を用いて作製した全固体電池の特性を評価した。この結果、室温環境で60サイクル充放電後の容量維持率は98.6％となった。しかも、−25〜120℃という温度環境でも電池が動作することを確認した。

全固体電池の外観／正極層内の拡大図と電池特性［クリックで拡大］ 出所：九州大学