全固体リチウム電池・固体電解質材料の最新の研究動向

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Li電池はエネルギー密度が高く、電気自動車や定置用電源への応用が期待されています。電気自動車ではエンジンに代わり、電池特性が自動車の性能や市場価格に直結します。例えば電池のエネルギー密度は自動車の航続距離を左右し、加速性能は高出力特性がカギとなります。他にも安全性を含め、優れた特性の蓄電池の開発が急務となっています。最も有望な蓄電池のひとつが全固体リチウム電池です。全固体電池では、高い安全性・信頼性だけでなく、固体電解質を用いることで初めて発現する、従来の電池では得られなかった様々な特性が期待されます。
本講演では、電池の基礎から電池材料に求められる特性を解説します。また、現在知られている固体電解質材料をいくつかご紹介いたします。更に、全固体電池における高容量電極材料の充放電挙動や、固体電解質材料の新たな設計指針など、私が現在取り組んでいる研究内容についても簡単に紹介いたします。

1．電池の基礎
リチウム電池などの化学電池がどのように動作するのか、そのメカニズムをなるべく数式を使わずに解説します。電池で良く使われる単位についても説明します。ニッカド電池やニッケル水素電池ではなく、リチウムイオン電池が広く使用されている理由や、現行のリチウムイオン電池の問題点について、電池の動作原理を踏まえながら解説していきます。次世代二次電池として期待されている全固体リチウム電池の特長や、全固体電池の実現するために克服しなければならない課題をまとめます。

　1.1 電池の動作原理
　1.2 現行のLi電池の課題
　1.3 全固体Li電池の特長
　1.4 全固体Li電池の課題

2．固体電解質材料
全固体電池を構築する上で不可欠な固体電解質（Li+伝導性固体）について解説します。固体中をLi+イオンが動くメカニズムを説明し、現状どのような材料でLi+伝導度が報告されているかを紹介します。材料系毎に課題を解説していきます。

　2.1 固体中をイオンが動く
　2.2 固体電解質に求められること
　2.3 現在知られている高Li+伝導材料
　2.4 現状の固体電解質の課題

3．負極材料
Liデンドライトによる問題を解決するために、Li金属単体ではなくLi合金負極の利用が考えられています。高容量かつ動作電位の低い負極材料について説明します。特にSiとSnについて、全固体電池における充放電特性について紹介します。

　3.1 高容量合金負極材料
　3.2 全固体Li電池における高容量負極の特性
　3.3 Sn粉末を用いた全固体Li電池の特性
　3.4 全固体電池におけるLi溶解析出挙動

4．フッ化物系固体電解質
Li+伝導度、電位窓、大気安定性、圧粉性を両立できる可能性のある、フッ化物系のLi+伝導体と全固体電池の特性を紹介します。Li+だけでなく、最近報告したNa+伝導性のフッ化物についても解説します。

　4.1 Li3AlF6系材料のLi+伝導度
　4.2 電池の充放電特性
　4.3 Na3AlF6系材料を用いた全固体Na電池

5．Li+/Na+混合固体電解質
一般にLi+やNa+伝導体は複数のアルカリイオンが共存するとイオン伝導度が低下することが知られています。そのため現状の固体電解質はLi+/Na+化合物から合成されています。一方でNa化合物中にドープされたLi+が伝導する材料も知られています。Li+/Na+混合固体電解質の開発状況と、Li+伝導メカニズムについて解説します。新たな固体電解質開発のヒントになるかもしれません。

　5.1 混合アルカリ効果
　5.2 NaIをベースとしたLi+伝導体の開発状況
　5.3 NaI-NaBH4-LiIを固体電解質としたLi電池の動作
　5.4 NaI中のLi+伝導の構造的起源

質疑応答

名古屋工業大学　大学院工学研究科工学専攻　材料機能プログラム　准教授　博士（工学） 宮崎 怜雄奈　氏

略歴
2013年3月　東北大学大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻博士後期課程修了
2013年4月～2015年3月　独立行政法人 物質・材料研究機構 ポスドク研究員
2015年4月～現在　名古屋工業大学工学研究科物理工学専攻 助教

専門
固体イオニクス、全固体電池、高容量負極材料、新規固体電解質開発

その他 所属・役職
日本固体イオニクス学会(2016年7月～現在)
日本金属学会(2008年5月～現在)
電気化学会(2016年4月～現在)