全固体リチウムイオン電池の保護層を最適化する計算フレームワークを開発：研究開発の最前線

東北大学は、全固体リチウムイオン電池の保護層を最適化する計算フレームワークを開発した。充放電時に発生する、固体電解質の分解抑制に用いるコート層の設計に必要な特性や構造を定量的に分析した。

[MONOist]

　東北大学は2024年7月24日、全固体リチウムイオン電池（SSB）の保護層（コート層）を最適化する計算フレームワークを開発したと発表した。名古屋大学、島根大学と共同で、コート層の設計に必要な特性や構造を定量的に分析した。

（a）全固体リチウムイオン電池の固体電解質／電極界面の模式図。（b）全固体リチウムイオン電池の模式図。（c）一次元全固体リチウムイオン電池モデルの模式図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　コート層は、充放電時にSSBの電極材料と固体電解質の界面で生じる、固体電解質の分解を抑制するために用いられる。同研究では、固体内のイオンや電子伝導に関するWagner理論により、一次元SSBモデルの固体電解質とコート層内のリチウム（Li）化学ポテンシャル（μ_Li）分布を理論的に計算した。

　その結果、コート層の厚みや電子導電率（σ_ele）のみならず、固体電解質の厚みやσ_ele、電極電位も同時に制御することが、固体電解質保護効果の最適化に必要であることが明らかとなった。コート層の厚みはSSBの内部抵抗増加を引き起こすため、コート層のイオン導電率σ_ionも合わせて考慮する必要がある。

　これに基づき、研究チームはSSBの各構成要素から最適なコート層の厚さ、σ_ele、σ_ionを導き出せる計算フレームワークを開発。内部抵抗増加を一定範囲に抑えながら固体電解質を保護できるSSB用コート層を、効率的かつ確実に設計できる。

特定の固体電解質に対し、熱力学的安定を保ち、かつ内部抵抗増加を所望の範囲に抑える上で必要なコート層の厚さ、σele、σionを定量的に決定した計算例［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　リチウムイオンの電池電解質を難燃性の固体電解質に置き変えたSSBは、安全性やエネルギー密度などから、次世代型蓄電池として注目されている。コート層の設計指針により、高性能で長寿命なSSB開発の進展が期待される。

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