卓越型リサーチセンター
エネルギー材料統合研究センター
Research Center for Integrated Materials and Interfaces for Sustainable Energy研究内容
開発対象とする次世代電池の一つに高分子固体電解質を利用する電池がある。高分子材料は柔軟で成形性に優れ、無機材料で課題となる電極との良好な界面形成とその維持が比較的容易に行える。しかし高分子固体電解質はイオン導電率、機械的強度、化学的安定性がいずれも低く実用性に乏しい。これら複数の課題を同時に解決するために、新しい高分子材料を用いて他の材料、例えばセラミックスと複合化するという手法で機能向上を目指す。複合材料の考え方は従来からあるが本研究では内在する界面を理解して機能設計する。単純な混合ではなく界面制御に基づいた物質の組み合わせから広く次世代電池用材料の開発を目指す。最終的に無機・有機複合固体界面の新しいサイエンスを築く。
本センターの主たる構成員の専門分野は電極／固体電解質界面の形成と電気化学解析（今西）、高分子電解質材料の開発（久保）、無機・有機複合材料中および電極／固体電解質の界面物性解析（鳥飼）である。ここに無機材料科学、固体化学など材料分野の研究者がさらに加わり下図に示すような連携体制を構成し、物質合成-反応解析-デバイス作製までを一貫したメンバーの元で行う。当面は集積型イオンデバイスである電池の高エネルギー密度化、高出力化に取り組んで、社会全体のエネルギー利用の高効率化に貢献することを目標とする。上記の高分子を利用する電池を含め具体的な研究計画を研究項目A, B, Cとして以下に記す。
図1．当センター研究の実施体制と連携体制
「固体電極／電解質界面の制御、およびプロトタイプ全固体電池の開発」
担当者： 今西 誠之、森 大輔、田港 聡
試験項目1：界面保護層の導入による固体電極／電解質の界面制御
(i) 10-4 S cm-1程度の導電率を示す酸化物系の固体電解質について、異種元素置換、無機物質添加により、組成、構造、焼結性、イオン導電性を調査する。デバイスでの使用に向けて十分な10-3 S cm-1を示す組成を見出し、特に粒子界面の導電率が向上する添加物質を明らかにする。固体電極との副反応を抑制し、かつ密着した界面の構築を実現して、可逆的な充放電反応を示す無機固体界面を作成する。界面の構造解析を集中的に行い、得られた化学的知見をもとに元素選択や組成調整による界面の構造制御により良好なイオン輸送を実現する。
(ii) 酸化物系固体電解質に高分子を添加した、無機・高分子から成る複合電解質を作製する。作製した複合固体電解質について、構造や電気化学特性について調査する。特に機械特性に着目して高分子の添加量や種類を検討し、充放電による固体電極の体積変化に追随可能な無機・高分子複合固体電解質を探索する。界面の構造・物性解析を行い、複合体構造と電気化学特性を対比させて、化学的・電気化学的に良好な電極／固体電解質界面を構築する。
試験項目2：無機、高分子および無機・有機複合全固体電池の開発
界面保護層が導入された無機固体電解質、無機・高分子複合固体電解質、および固体電極／電解質複合体を使用し、全固体電池を構築してその特性について検討する。また、研究項目Bで合成する新奇な高分子固体電解質を用いた全固体電池についても検討する。高エネルギー密度電池、および高出力密度電池として、異なる電極材料と組み合わせたプロトタイプセルを試作し、電池構成材の重量基準のエネルギー密度500 Wh/kgのセル試作を目指す。エネルギー密度向上のため、固体電解質の薄膜化に取り組み、デバイスとして十分な機械的強度を見出し、その強度を損なわない範囲で軽量化を施す。
「分子構造制御による高分子固体電解質、および高分子固体電池の開発」
担当者： 久保 雅敬、宇野 貴浩、新規採用予定教員
試験項目1：分子構造による高分子電解質のイオン導電性・機械的強度の制御
(i) ポリエチレンオキシド(PEO)は融点以上の高温では高いイオン導電率を示すが、融点以下の室温では結晶化により導電率は大きく低下する。室温での運動性の向上を目的に、高分子鎖の幾何学的形状を変えることで、PEOの結晶化を抑制し、高分子電解質でトップレベルである10-4 S/cmの良好なイオン伝導を目指す。特に、高分岐ポリマー (HBP) を主体とした高分子固体電解質について検討し、運動性に優れた多くの自由な鎖末端を有することで、PEO の結晶化を抑制し、低温でのリチウムイオン輸送を向上させ、イオン導電率の低下を抑制する。
(ii) 固体電解質として機械的強度とイオン伝導を両立するために、高分子鎖の運動性が高い可動性架橋構造を有するPEOについて検討する。直鎖状PEOと環状PEOとの間で擬ポリロタキサンを形成させ、その後、直鎖状PEOと環状PEOとの間に共有結合を導入することで、可動性架橋構造を有するPEOのネットワークを形成する。化学結合を形成して機械的強度を保ちながら可動性の高い構造を導入することで、結晶化を抑制して室温におけるイオン導電性を向上させる。また、分子構造にSiO2結合で固定されたネットワーク構造を導入して柔軟な機械特性を有する固体電解質を合成する。
「無機・高分子複合材料の界面構造、物性解析」
担当者： 鳥飼 直也、藤井 義久
試験項目1：無機・高分子複合固体電解質の界面構造、機械強度の解析
複合体中における固体電極/電解質界面について、量子ビームを用いた構造解析やTEM･EDX観察で相分布を含めた構造を検討する。特に界面の局所構造や化学結合･電子状態、相形成の観点で界面からバルク領域にかけた構造を描写し、電解質が充放電による固体電極の体積変化に追随し、固体界面で電極が電解質から剥離しない複合体構造を明らかにする。また、複合体の構造と電池動作に欠かせない機械的強度の関係を明らかにする。
薄膜などを使用した固体電極と電解質から成るモデル電気化学反応場を構築する。これを用いて界面における分子構造やイオン濃度分布を量子ビームを用いた反射率解析から解析し、電池の寿命特性との相関を明らかにする。これらの考察をもとに、研究項目Aにおける界面制御の方策にフィードバックし、電池寿命の課題を解決する界面制御プロセスを提示する。