一般財團法人電力中央研究所能源轉型研究本部的藤原優衣主任研究員、沓澤大主任研究員、小林剛上席研究員組成的研究團隊於5月30日發表研究成果稱，成功開發出在氧化物全固態電池中引入兼具參比電極（測量電極電位時作為基準的電極）和充電狀態調節電極功能的附加電極的多層特殊單元，並由此闡明瞭氧化物全固態電池的劣化因素。相關研究成果已發表在美國化學會出版的《ACS Applied Energy Materials》4月14日刊上。
圖1 (A)既往全固態電池示意圖；(B)本研究多層特殊單元示意圖（供圖：電力中央研究院）
近年來，採用固體氧化物作為電解質以及正負極活性材料的氧化物全固態電池，作為新一代電力存儲用蓄電池備受期待。然而，固態電池由於其堅固結構，存在難以進行詳細電化學特性評估的問題。無法像液態鋰離子電池那樣常規地引入參比電極或從特定充電狀態的電池中取出電極等。
此次，研究團隊為了實現對氧化物全固態電池進行與液態鋰離子電池同等詳細的電化學評估，在由正極、電解質、負極三層組成的常規全固態電池基礎上，設計了額外兩組電解質與電極組合的多層特殊單元。
研究團隊針對以NASICON（Na Super Ionic CONductor）型氧化物的Na₃Zr₂（SiO₄）₂（PO₄）固態電解質層和NASICON型氧化物的Na₃Ti₂（PO₄）₃電極活性材料作為正負極的鈉離子電池，製作了添加兩組由Na₃Zr₂（SiO₄）₂（PO₄）固態電解質和Na₃Ti₂（PO₄）₃電極活性材料構成的附加電極多層特殊單元。通過將附加電極用作參比電極，可分別測量電池運行時的正負極電位。此外，將附加電極用作正負極充電狀態調節電極，可測量正負極殘餘容量，並評估劣化時載流子離子（電池充放電時通過電解質在正負極間移動的離子）的減少情況。
此外，通過採用包含以相同材料製作正負極的對稱單元替代電池的多層特殊單元，可製備特定充電狀態的對稱單元（正負極採用相同狀態與材料的電池），從而獲取特定電極在特定充電狀態下的電化學電阻抗資訊。
研究團隊根據電化學測量結果，推斷目標電池在持續充放電循環過程中發生容量劣化行為的原因。
結果發現，劣化後正極的殘餘容量大幅減少，表明劣化導致載流子離子大量損失。
目標氧化物全固態電池中發生的載流子離子損失，被認為是由於固態電解質暴露於負極側的低電位環境，在固態電解質分解時使載流子離子失活所致。
藤原主任研究員表示：「蓄電池的‘評估’對於更好地利用蓄電池至關重要。目前，不僅是現有鋰離子電池，包括全固態電池在內的各種新型電池都在日新月異地發展，通過實現對這些電池的恰當評估，能夠加速開發並推動其在社會中的應用。今後我們也希望通過開發評估方法和開展評估等工作，為蓄電池的應用做出貢獻。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Applied Energy Materials
論文：Multi-Layer Cell System with Reference/Carrier-Ion Source Electrodes Elucidates the Degradation Mechanism Governing All-Oxide Solid-State Batteries
DOI：10.1021/acsaem.4c03176
