解決全固體電池瓶頸問題，東工大等實現超低界面電阻
日本東京工業大學、日本工業大學及日本產業技術綜合研究所組成的研發小組在全固體電池上實現了超低的界面電阻，並發現其關鍵在於原子在電極表面的有序排列。這項成果為全固體電池的開發提供了指南，向全固體電池的實用化邁出了重要的一步。
目前業界正在快速推進全固體電池的開發，其中最受關注的是固體電解質和電極材料的開發，不過目前還存在很多問題，尤其是在固體電解質與電極形成的界面上，鋰離子的電導率比較低（也即界面電阻高），成為阻礙全固體電池實用化的一大課題。因為即使開發出鋰離子電導率較高的固體電解質和電極材料，如果這兩種固體材料的接觸界面的電阻很高，仍然無法實現能高速充放電的優質電池。因此，降低界面電阻非常重要。但此前並不清楚界面電阻升高的原因，所以一直未找到降低界面電阻的具體方法。
此次研發小組利用薄膜製作技術和真空技術，製造了採用LiCoO
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外延薄膜的理想全固體電池（圖1）。對固體電解質與正極界面的離子電導率進行評測發現，界面電阻會隨著界面的製作條件而變化，條件良好的界面的電阻非常低，只有5.5Ωcm2。這一數值是目前開發出的全固體電池的1/40，是採用液體電解質時的1/6。這種低電阻界面有助於實現高速充電。
圖1：此次製作的全固體電池的概略圖（a）和照片（b）。集電體採用金（Au），正極採用LiCoO2，固體電解質採用Li3PO4，負極採用鋰（Li）。基板採用Al2O3單晶基板。
為了研究此次實現的低電阻界面的狀態，研發小組通過採用同步輻射的表面X射線衍射，詳細調查了固體電解質與正極形成的界面的結構（圖2）。調查發現，低電阻界面（5.5Ωcm2）具有結晶性，即使在界面附近，原子也像薄膜內部一樣有序排列。而在高電阻界面（180Ωcm2），儘管原子本來排列有序，但形成界面時電極表面的原子排列會被打亂。
圖2：通過表面X射線衍射計算的電極與電解質的界面電子密度。電子密度峰值清晰，表示原子排列有序。界面深度0?為固體電解質/電極界面的值。從圖中可以看出，在低電阻界面（紅色），界面附近的原子也呈周期性排列，而在高電阻界面（藍色），界面附近的原子排列被打亂。
關於此次製作的 LiCoO
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外延薄膜的晶體取向，鋰離子可以只朝著與薄膜平行的面內方向移動，垂直於薄膜形成的晶界成為鋰離子進入薄膜內部的通道（圖3）。這表明，在高電阻界面，電極表面的原子排列混亂抑制了鋰離子在電極表面的擴散以及向晶界的擴散。
圖3：鋰離子在低電阻界面（a）和高電阻界面（b）的動作差別。圖中模式化地表現了鋰離子（Li+）在固體電解質中擴散並進入LiCoO2的情形。鋰離子首先到達LiCoO2的CoO2層，然後橫向擴散，穿過晶界進入晶體內部。此次的結果可以理解為，與固體電解質接觸的CoO2層的原子排列混亂抑制了鋰離子的擴散，最終導致界面電阻升高。
此次的成果使全固體電池的實用化有了希望。通過優化固體電解質和電極的形成過程，可以實現超低的界面電阻。實現低界面電阻的關鍵在於，通過精確的結構控制來抑制形成界面時出現的結構混亂，維持原子在界面的有序排列。按照這一思路改良全固體電池的製作過程，便有望開發出高性能的全固體電池。
相關研究成果已於11月22日（美國時間）發表在美國化學學會的學術期刊《美國化學學會應用材料與界面》的網路版上。
文 JST客觀日本編輯部
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