酸化物単結晶を固体電解質部材とした全固体リチウム二次電池 - 産総研が開発

産業技術総合研究所(産総研)は2月1日、酸化物の単結晶を固体電解質部材とする小型全固体リチウム二次電池を開発したと発表した。

同成果は、産総研先進コーティング技術研究センター エネルギー応用材料研究チーム　片岡邦光主任研究員、秋本順二研究チーム長、微粒子スプレーコーティングチーム　明渡純研究チーム長らの研究グループによるもの。技術の詳細は、2月15～17日に東京ビッグサイトで開催される「第16回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議(nano tech 2017)」にて発表される予定。

リチウム二次電池は、安全性の観点から可燃性の有機電解液に替わり、不燃性である硫化物や酸化物の無機固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池の開発が進められている。しかし、特に酸化物系固体電解質材料は、素材として安定性は高いが、リチウムイオン導電率や内部短絡、電極と固体電解質の界面の接合強度などといったところに課題もある。

今回、同研究グループは、単結晶成長方法のひとつであるフローティングゾーン溶融法(FZ法)を用いて、これまで合成が困難と思われていた固体電解質材料であるガーネット型酸化物単結晶の合成に成功。FZ法の条件を工夫することで、安定な単結晶成長を実現した。

同単結晶を用いて作製した固体電解質部材は、従来の焼結体よりも稠密であり、金属リチウムの貫通を防ぐことができる。短絡試験の結果、10mA/cm²の大電流でも内部短絡せず、また25 ℃で導電率10^-3S/cmを超えるリチウムイオン導電率を示した。これは有機電解液と同等以上のリチウムイオン導電率であるという。

さらに同研究グループは、電極と固体電解質の接合が強固でないというこれまでの課題を解決するため、産総研独自の常温製膜技術であるエアロゾルデポジション法(AD法)を応用。ガーネット型酸化物単結晶を用いた固体電解質部材を基材として、正極のニッケル系酸化物材料をAD法により製膜し、密着性が高い電極－電解質界面を形成した。負極には金属リチウムを使用。これにより25 ℃で可逆的な充放電が可能で、短絡・発火の危険性がほぼない直径5mm、厚さ0.7mmの小型全固体リチウム二次電池の開発に成功した。

同研究グループは、今回の成果のコア技術である固体電解質単結晶の製造技術について、長寿命で高い安全性・信頼性が必要とされる医療用途をはじめとするマイクロバッテリーの応用分野で2020年ごろまでの実用化を目指していくとしている。