【研究成果】次世代電池 完成へ一歩 ～研究チーム 超高速充放電に成功～

　本学、東京工業大および日本工業大の共同研究チームが、高出力な全固体電池の超高速充放電を実現した。リチウムイオン電池に代わる次世代電池の完成に向けた、大きな前進だ。




　一般的なリチウムイオン電池は電解質に液体を用いるが、全固体電池は電解質に固体を用いる。全固体電池には、固体電解質ならではの課題が多く存在し、実用化に向けて、改善が求められている。

　今回の研究では、課題の一つであった界面抵抗の低減に成功し、さらに超高速充放電を実証した。これは全固体電池の実用化に向けて大きな足がかりとなる成果である。

　全固体電池の最大の利点は、難燃性の固体電解質の活用による高い安全性である。従来のリチウムイオン電池では、可燃性の液体電解質を用いるため、燃焼事故を引き起こすリスクは避けられない。

　また近年、従来のリチウムイオン電池の３ボルト台を上回る、５ボルト程度の電圧が発生する高出力な電池が注目され、開発がさかんになされている。すなわち、優れた安全性、５ボルト程度の高い電圧を特徴とする「高出力な全固体電池」は次世代を担う究極の電池といっても過言ではない。

　リチウムイオン電池の充放電の原理は、電解質を介した電極間のリチウムイオンの往復移動である。全固体電池でも、充放電の原理は同様である。しかし、全固体電池では、固体電解質のイオン伝導度が低く、固体電解質と電極の間の界面抵抗が高いため、充放電の高速化が難しいとされてきた。

　今回の研究では、低減が課題となっている固体電解質と電極の間の界面抵抗に着目している。従来の全固体電池をナノレベルで見たとき、固体電解質や電極は金属や金属酸化物の粒子の集合体である。

　そのため界面は、固体電解質と電極の交じり合った「乱雑な」状態となる。不純物や空隙なども存在するため、そういった要因によりリチウムイオンの移動が阻害されている可能性も否定できない。界面抵抗は高いとされているが、果たして本質的に高いのか、どうすれば低減できるのか、といったことは明らかになっていない状況であった。

　そこで共同研究チームは、この「乱雑な」界面ではなく、不純物や空隙のない原子スケールで平坦な界面において、界面抵抗の真の値に迫った。真空環境下の薄膜作製技術を駆使し、高出力な全固体電池において、原子スケールで平坦で理想的な界面を実現した。

　さらに、電極の結晶の向きを一様に揃えた結果、界面抵抗を従来の１００分の１程度に低減することに成功した。また、１平方センチメートル当たり14アンペアという比較的大きな電流の下で、充放電を数秒で行うことができた。

　今回の研究によって、高出力な全固体電池であっても、界面抵抗は低減できるということを証明できた。今回の研究の共同研究チームの一員である本学理学研究科の河底秀幸助教は「超イオン伝導体という極めて高いイオン伝導度を有する固体電解質と組み合わせることで、更なる性能向上が期待できる」と話す。今後は界面抵抗の起源の解明をめざし研究を進め、電気自動車用の全固体電池の開発につなげたいという。