全固体電池の性能低下の原因を解明―150℃程度の加熱処理によって改善：東京工業大学/東京大学/産業技術総合研究所ほか
(2022年1月7日発表)
東京工業大学、東京大学、（国）産業技術総合研究所、山形大学の共同研究グループは1月7日、製造過程で生じる全固体電池の性能の低下原因を解明し、加熱処理によってその低下を改善できることを突き止めたと発表した。現在開発が精力的に進められている電気自動車用の全固体電池の製造に、新成果の活用が期待できるという。
バッテリー（蓄電池）とも呼ばれる電池は正・負極とイオンを通す電解質から成り、既存の電池の多くは電解質に液体を用いている。電解質用のこの液体は可燃性であることが多いため、燃えづらい固体の電解質から成る安全性の高い全固体電池の開発が、電気自動車などへの搭載を目指して進められている。
この開発で直面している課題の一つが、電極と電解質の間の界面におけるイオンの通過しやすさの向上。電気自動車では高速の充電が求められるため、イオンの移動が速いこと、すなわち界面抵抗が小さいことが必要である。
ところが、新開発の材料などを使って電池を組み上げ、動作実験すると、界面抵抗が大きく、初期の性能が得られないという結果になり、この解決が課題になっていた。
研究グループは今回、全固体電池を作製する際に，電極表面を大気、酸素、窒素、水素、水蒸気の5種類の気体にさらした場合、電池性能にどのような影響が生じるかを調べた。
その結果、酸素、窒素、水素に暴露（ばくろ）させた場合には電池性能の低下は認められなかったが、大気および水蒸気に暴露した場合、界面抵抗が暴露前の10倍以上に増大、特に、水蒸気に暴露した場合は電極の劣化が非常に激しく、電池性能の著しい低下が観測された。
そこで、この改善を目指して実験を進めたところ、電池を作製し動作させる前に150℃程度の加熱処理を行うと、動作特性が大幅に向上することが分かった。界面抵抗の大きさは加熱処理前の1/10以下まで低減、大気や水蒸気に全く暴露せずに作製した正常な界面の抵抗値と同等の大きさであった。
研究グループはさらに劣化と改善のメカニズムを調べ、大気や水蒸気から電極内に侵入する水素イオン（プロトン）が電池性能を低下させる原因であること、加熱処理することによって、リチウムイオンの移動を妨げるプロトンが電解質中へと排除されることを解明した。
全固体電池の作製プロセスで電極材料は大気暴露されるため電極表面にプロトンが存在している。これを除く今回の成果によって全固体電池の高性能化が期待されるとしている。
