シンセシオロジー

研究論文

単結晶固体電解質を利用した
小型全固体リチウム二次電池の開発− 酸化物系全固体リチウム二次電池の実現を目指して −片岡 邦光＊、赤尾 忠義、永田 裕、永井 秀明、秋本 順二、明渡 純
全固体リチウム二次電池は、次世代二次電池の一つとして注目され、研究開発が盛んに行われている蓄電デバイスである。全固体リチ
ウム二次電池の実現には、新しい部材であるリチウム固体電解質の開発が重要である。ここでは、我々が行っている、リチウム固体電解質単結晶とAD法を利用した全固体リチウム二次電池の開発について、論じる。
キーワード：全固体リチウム二次電池、リチウム固体電解質、単結晶、AD 法、FZ 法

Development of a compact all-solid-state lithium secondary battery
using single-crystal electrolyte—Towards realizing oxide-type all-solid-state lithium secondary batteries—
Kunimitsu KATAOKA*, Tadayoshi AKAO, Hiroshi NAGATA, Hideaki NAGAI, Junji AKIMOTO and Jun AKEDO
All-solid-state lithium secondary batteries are attracting attention as a next-generation technology. To realize this technology, it isimportant to develop a new solid-state lithium-ion conductor. In this regard, we discuss the development of all-solid-state secondary
lithium batteries using single-crystal solid electrolytes and the AD method.
Keywords：All-solid-state lithium battery, lithium-ion conductor, single-crystal, AD method, FZ method

1

はじめに

1.1

ている [1]-[3]。我が国では 2013 年の NEDO のロードマップ

次世代リチウム二次電池の現状によると、全固体電池は次世代電池を横断的にカバーする高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池は、スマー

電池と位置づけられており、2030 年の実用化を目指してい

トフォンなど多くの小型電子機器や自動車に使用されておる [4]。従来のリチウム二次電池では、大きく分けて正極、り、現代社会の生活とは切り離せない電源デバイスの一つ

負極、電解液と正極と負極を隔てるセパレータの 4 つの部である。最近、二次電池への要求スペックも他の電子デバ材で構成されている。一方で全固体リチウム二次電池ではイスとの兼ね合いから、高容量化、高電圧化、長寿命化、

正極、負極、リチウム固体電解質の 3 つの部材で構成され高エネルギー密度化など、現行の液系二次電池では解決でており、リチウム固体電解質が電解液とセパレータの役割

きない問題にさしかかっている。ポストリチウム二次電池とを果たす。図 1 に従来の液系リチウム二次電池と全固体リしては、移動体イオンにナトリウムやマグネシムを利用したチウム二次電池の模式図を示す。全固体リチウム二次電池

二次電池や対極に空気を用いるリチウム空気電池などさまでも正極材料と負極材料は従来の液系リチウム二次電池のざまな新規二次電池が研究開発されているが、最も有力材料が利用できる可能性があるが、リチウム固体電解質はな新規二次電池として全固体リチウム二次電池が注目され新規に開発しなければならない。このリチウム固体電解質

産業技術総合研究所 先進コーティング技術研究センター 〒 305-8565 つくば市東 1-1-1 中央第 5Advanced Coating Technology Research Center, AIST Tsukuba Central 5, 1-1-1 Higashi, Tsukuba 305-8565, Japan
kunimitsu@aist.go.jp＊ E-mail: kataoka-

Original manuscript received December 28, 2018, Revisions received January 23, 2019, Accepted January 24, 2019− 28 −

Synthesiology

Vol.12 No.1 pp.28–38（Feb. 2019）

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

表1

報告されているリチウム固体電解質の代表例
化学組成

酸化物系
硫化物系

リチウムイオン
導電率 (S cm－1)

金属リチウム
負極の使用

高電位
正極の使用

電極との
界面形成

部材として
の稠密性

安全性

Li7La3Zr2O12

3.0 × 10－4

可能

可能

困難

困難

安全

La0.57Li0.29TiO3

6.8 × 10

不可能

可能

困難

困難

安全

Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3

7.0 × 10

不可能

可能

可能

可能

安全

Li2.9PO3.3N0.46

3.3 × 10

可能

可能

可能

可能

安全

Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3

4.0 × 10

可能

可能

可能

可能

安全

Li10GeP2S12＊

1.2 × 10－2

不可能

可能

容易

容易

硫化水素
ガス発生

Li7P3S11＊

1.0 × 10－2

不可能

可能

容易

容易

硫化水素
ガス発生

10－2

不可能

不可能

容易

--------

可燃性

－4

－4
－6
－4

参）現行有機電解液を利用した全固体リチウム二次電池には、内部抵抗の低減

特徴をまとめる。硫化物系固体電解質はリチウムイオン導や作動電圧、そして出力の増大が可能なバイポーラ型全固

電率も高く可塑性材料であるため、電池作製では有利に働体リチウム二次電池は、高電圧化や高容量化、長寿命化、くが、安全性の観点では不利であり、使用されている多く

パッケージの簡素化、金属リチウム負極使用の可能性などの材料で水分と反応して有害である硫化水素ガスが発生す多くの利点が期待されており、現在、世界各国の研究機関、ることが知られている。身近なデバイスであるだけに、安企業で全固体リチウム二次電池の実現にむけて開発が行

全性の担保は重要であると考え、まだまだ課題はあるもの

われている。なおこの論文において、リチウムイオンが移の、より安全性の高い酸化物系固体電解質を利用した全動する固体電解質をリチウム固体電解質として定義してい固体リチウム二次電池の開発を先進コーティング技術研究る。

センター（以下、当センター）では行っている。図 2 はリチ

1.2

全固体リチウム二次電 池が抱える問題 点と先進

ウム二次電池の現状と将来の展望を俯瞰したときの当セン

コーティング技術研究センターが目指す全固体リチウム

ターが目指す全固体リチウム電池のポジションである。酸二次電池

化物系全固体リチウム二次電池は硫化物系全固体リチウム

全固体リチウム二次電池は、リチウム固体電解質などの二次電池と比較して、大面積化などが必要である高容量化

部材開発から全固体リチウム二次電池の電池設計に至るや高出力化は、まだまだ難しいものの、高安全性化、長まで、さまざまな研究開発が精力的に行われている 。表

寿命化、耐環境性に優れると考えられており、それらの特1 に現状で開発が行われている主なリチウム固体電解質と性を活かした、小型全固体リチウム二次電池により物のイ

[5]

充電 e

e-

充電

-

Li+
電解液
正極
LiCoO 2

図1

Synthesiology

セパレーター

負極
グラファイト正極
LiCoO 2

固体電解質
リチウムイオン導電体

現行のリチウム二次電池と全固体リチウム二次電池の構成比較

Vol.12 No.1（2019）

負極
リチウム金属− 29 −

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

表2

主な酸化物系全固体リチウム二次電池の作製方法と特徴
全固体電池の作製方法

電極層の膜厚材料選択の自由度

作製温度

一体焼結法

バルク型電池低い1000 ℃付近

ゾルゲル法

薄膜電池

低い

800 ℃付近

PLD法

薄膜電池

高い

400 ℃付近

AD法

バルク型電池高い

25 ℃付近ンターネットとよばれる IoT や、ウェアラブルそして、医療単結晶を育成すれば可能となる。近年、ガーネット型リチ等の用途を目指すべきであると考えている。

ウム固体電解質の焼結体を利用した酸化物系全固体リチ

1.3 ガーネット型リチウム固体電解質の問題点と解決策

ウム二次電池では、リチウム金属の析出時に針状リチウム

当センターは、全固体リチウム二次電池の研究を始める

金属が固体電解質中をデンドライド成長することが問題と以前より従来のリチウム二次電池に用いる正極と負極の材なっている。文献で、デンドライド成長したリチウム金属は、料酸化物の開発を行ってきた。最近、全固体リチウム二次

全固体リチウム二次電池の内部で短絡を引き起こすことが電池の研究開発に携わるようになり、酸化物系リチウム固報告されている [6]。この問題の解決のためには、粒界のな

体電解質の中でも、特にガーネット型リチウム固体電解質

いバルク体であるリチウム固体電解質単結晶が必要であるを中心に研究開発を行ってきた。ガーネット型リチウム固と考えた。

体電解質の研究は世界の多くの研究機関、企業で行われ以上のようなガーネット型リチウム固体電解質の課題を克ており、一般的に焼結法によりバルク体が作製されている

服するために、当センターは、長年培ってきた単結晶育成

が、ガーネット型リチウム固体電解質は高温で分解し、リ技術を応用することで、大型で粒界のないガーネット型リチ

チウムの揮発を伴うので、高温での緻密化が困難で、焼ウム固体電解質の開発に着手した。ガーネット型リチウム

結体の焼結密度が向上しないという欠点があった。最近

固体電解質の欠点を単結晶化によって克服することができは、ガーネット型リチウム固体電解質の微細化による低温

れば、部材として、さらには酸化物系全固体リチウム二次焼結やスパークプラズマシンタリング法（SPS 法）とよば電池開発のブレイクスルー技術となることが期待できる。

れる放電プラズマ焼結法により焼結密度は年々向上していこれまでに、ガーネット型リチウム固体電解質をはじめとしる。しかし、焼結体である限り粒界が存在し、粒と粒のて、大型のリチウム固体電解質単結晶の育成例はなく、全間をリチウムイオンが通る際の粒界抵抗が大きくバルク体

固体リチウム二次電池の分野に限らず、固体内のリチウム

本来の性能を引き出すことは難しい。したがって、バルク

イオンの動きを調べる固体アイオニクスの学術的な要素技

体本来のリチウムイオン導電性の性能を引き出すためには術においてもリチウム固体電解質単結晶の育成は意味のあ

粒界のない一つの大きな粒、すなわち大型の固体電解質

る研究課題である。また、リチウム固体電解質の単結晶を使用すると、理想的な界面が形成できるため、これまで焼次世代二次電池

エネルギー密度

用途：電気自動車
高容量化
高出力化
用途：HEV,PHEV
スマートフォン
高容量化

高安全性化
長寿命化
ＬＩ
改良した 耐環境性
液系リチウムイオン二次電池

従来の液系リチウムイオン二次電池

Li硫黄電池硫化物系
全固体リチウム
二次電池
酸化物系
全固体リチウム
二次電池

センターが目指す全固体電池
固体電解質単結晶とAD法を利用した酸化物系全固体電池
用途：IoT、ウェアラブル、医療用

用途：携帯電話、ノートPC

2010年

Li空気電池2015年

2020年 2025年 2030年

年代
図2

リチウム二次電池の現状と将来展望の俯瞰図

結体では解明できなかった界面構造を明らかにできる可能性もあると考えている。
1.4

固体-固体界面の形成の問題点と解決策

さらに酸化物系全固体リチウム二次電池を作製するにあたり、ガーネット型リチウム固体電解質単結晶と電極層をどのように接合するかの課題に取り組んだ。全固体リチウム
二次電池の電極作製には一体焼結法や、ゾルゲル法による薄膜電池作製法、パルスレーザーデポジション法（PLD法）が報告されている。表 2 に主な酸化物系全固体リチウ
ム二次電池の作製手法と特徴をまとめる。どの手法の場合
でも、リチウム固体電解質と電極層の間で強固な界面を形成する必要がある。ガーネット型リチウム固体電解質では、高温での電極と固体電解質の相互拡散により電極と固体電解質の固体界面に反応生成物である異相が生成されるた− 30 −

Synthesiology

Vol.12 No.1（2019）

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

め、高温での一体焼結は難しい。そこで、当センターで長がかかる段階である。しかし、当センターでは、酸化物系

年行われてきた厚膜セラミックスコーティング技術として研リチウム固体電解質のもつ優れた安全性に着目をして酸化究開発された、常温衝撃固化現象を利用したエアロゾルデ

物系全固体リチウム二次電池の研究開発を行っている。酸ポジション法（AD 法）による電極層作製技術の開発に着化物系固体電解質では、ナシコン型構造を有する材料に目した。常温製膜プロセスである AD 法を用いる常温接合代表されるポリアニオン型リチウム固体電解質 [9]、ペロブ技術を利用して解決できると考えた。全固体リチウム二次スカイト型リチウム固体電解質 [10]、ガーネット型リチウム固電池の用途にもさまざまな事例が想定されるが、我々は電体電解質 [4][11]-[19] などがあるが、当センターでは、酸化物系

池容量が多いバルク型全固体リチウム二次電池の作製を目

リチウム固体電解質の中でも比較的高いリチウムイオン導指している。そこで、バルク型全固体リチウム二次電池を電率（10 -4 S/cm）が報告されている。そして広い電位窓を作製するために、ガーネット型リチウム固体電解質単結晶と有しているため、有機電解液では利用できなかった高電位

固体界面をリチウムが移動するために強固な界面を形成す

正極活物質や負極活物質に金属リチウムが利用できるガーる技術であり、常温で強固な製膜が可能である AD 法を

ネット型リチウム固体電解質に注目して、2009 年から継続

組み合わせることで、常温での全固体リチウム二次電池がして、酸化物系全固体リチウム二次電池の研究開発を行っ作製できると着想した。

ている。

1.5

この論文における研究の目標

当センターで酸化物系全固体リチウム二次電池の研究開

3

ガーネット型リチウム固体電解質

発を行っている過程で、全固体リチウム二次電池実現のたガーネット型リチウム固体電解質は、名称の由来の通り、めの課題として、電池内部での短絡、固体同士の界面形

宝石として利用されるガーネットや、光学結晶として利用さ成の二つの課題が大きいことを実感した。特に電池内部でれるイットリウムアルミガリウムガーネット（通称 YAG）などの短絡は、最近広く問題視されており、その解決策は他のと非常に類似した結晶構造を有している。本来のガーネット

方法では見出されていない。この論文では、全固体リチウ

は、一般式 C3A 2B3O12 で表され、C サイトは酸素と 12 面

ム二次電池、およびリチウム固体電解質の研究開発の現体配位、A サイトは酸素と 8 面配位、B サイトは酸素と 4状と、前述した酸化物系全固体リチウム二次電池の二つの面体配位をしている。一方、ガーネット型リチウム固体電解

課題解決のために、現在当センターで行っている、ガーネッ

質では通常のガーネット構造では空隙となる酸素と 8 面体

ト型リチウム固体電解質の単結晶化技術と常温製膜技術

配位する箇所にリチウムが存在する。図 3 にガーネット型リである AD 法を利用した電極形成技術について述べる。

チウム固体電解質の結晶構造を示す。
例えば Li7 La 3 Zr2 O12 の組成のガーネット型リチウム固2

全固体リチウム二次電池とリチウム固体電解質

体電解質であると、C サイトをランタンが占有し、A サイ

前項でも述べたが、全固体リチウム二次電池は、主な部材として、正極、負極、リチウム固体電解質の 3 つの部

トをジルコニウムが占有し、B サイトと空隙をリチウムが占有する。

材で構成される。全固体リチウム二次電池ではリチウム固体電解質にアニオンが酸素で構成される酸化物系リチウム
固体電解質を利用するものと、アニオンが硫黄で構成され

Aサイト
8面体配位

る硫化物系リチウム固体電解質を利用するものが広く研究されている。硫化物系リチウム固体電解質は可塑性に優れ

Cサイト
12面体配位るため電極と界面形成が容易であること、現行の有機電解液を超える 10 -2 S/cm オーダーの高いリチウムイオン導電率を有する固体電解質も報告される [7][8] などの利点がある

Bサイト
4面体配位

一方で、有害な硫化水素ガスが発生する危険性も有している。酸化物系リチウム固体電解質は安全性の面で優れる

空隙
8面体配位

が、固体－固体界面の形成やリチウムイオン導電性に課題があった。現在の全固体リチウム二次電池の開発状況としては、硫化物系リチウム固体電解質を用いる硫化物系全固体リチウム二次電池の研究が先行して実用化に近づいており、酸化物系リチウム固体電解質は実用化には、まだ時間

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Vol.12 No.1（2019）− 31 −

図3

ガーネット型リチウム固体電解質の結晶構造

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

ガーネット型リチウム固体電解質では、さまざまな元素

4

リチウム固体電解質の単結晶育成と評価が置換することが知られており、C サイトにはカルシウム、

4.1

ストロンチウム、バリウム、A サイトにはニオブ、タンタル、結晶育成

FZ法によるガーネット型リチウム固体電解質の単

スズ、ハフニウムなど、B サイトにはアルミニウム、ガリウ

これまでガーネット型リチウム固体電解質の単結晶は、ムが置換すると報告されている [11]-[15]。置換元素によってリ

高温焼成またはフラックス法により合成されており、どちらチウム量が変化して、結晶中でのリチウムの配列や占有率の手法でも最大で 1 mm 程度の単結晶が報告されているが変化することによりリチウムイオン導電率が変化する。

だけであった [16]-[18]。高温焼結法やフラックス法では、全ガーネット型固体電解質は 10 -4 S/cm オーダーのリチウム導固体リチウム二次電池に利用できるリチウム固体電解質は[8]-[18]、酸化物系リ

育成できないと考え、我々はフローティングゾーン法（FZ

チウム固体電解質の中でも、リチウムイオン導電性に優れ法）
による単結晶の育成を検討した。図 5 に FZ 法溶融炉、ている。一方で難焼結材料であるため、部材としての稠密

図 6 に FZ 法の概略を示す。FZ 法は溶融帯を空中に浮遊化が難しく、粒界抵抗などの影響によりバルク体が本来有させることから、この名前が付けられた。溶融帯は上下のするリチウムイオン導電性を部材として発揮できないといっ

原料棒によって表面張力で支持され、溶融帯を移動させる

た課題があった。最近では、通電焼結法やホットプレス法

ことで単結晶が成長する。るつぼなどの容器を使用しないなどにより、稠密性の高い部材も作成され、リチウムイオ

ため、るつぼ材からの不純物の混入がなく、溶融帯が局電率を有することが多数報告されており-3[20]-[22]。

所的であるため、育成条件を工夫することで、揮発性が高部材としての稠密性が上がっているが、最近では新たに内い材料でも単結晶の育成が可能となる。実際に過去の単結ン導電率が 10 S/cm オーダーの報告もされている[3][6][12][13][15]。内部短絡の問

晶育成例を調べてみると、リチウムを含むリチウム二次電

題とは全固体リチウム二次電池の内部で金属リチウムが析池の正極活物質である LiCoO2 も FZ 法で育成を行ってい出することで正極と負極間で短絡してしまうことである。もる報告がある [23][24]。今回扱うガーネット型リチウム固体電

ちろん、全固体リチウム二次電池では、従来のリチウム二解質も、高温下でのリチウムの揮発が生じることや、
ガーネッ

次電池の様な発火はないが、短絡することで電池としてのト型リチウム固体電解質自体の反応性の高さから、るつぼ

部短絡の問題が報告されている機能は果たせなくなる。全固体リチウム二次電池の内部短絡は、図 4 のイメージ図に示すように、リチウム固体電解質の粒界に沿って金属リチウムが成長すると考えられており、これまでさまざまな手法で部材を稠密化しても低電流で内部短絡を引き起こすことが報告されており、課題の解決には至っていなかった。そこで我々は部材として粒界のないリチウム固体電解質、すなわち単結晶を利用することで、この問題を解決できるのではないかと着想し、ガーネッ
ト型リチウム固体電解質の大型単結晶の開発に着手した。
図5

粒界があるため、不均一に金属リチウムが析出
粒界に沿ってデンドライトが成長することで内部短絡を引き起こす

図4

溶融帯

負極

ハロゲンランプと回転楕円型反射鏡

リチウム固体電解質の稠密化

Li+Li+

40 rpm多結晶棒

粒界がないため、均一に金属リチウムが析出
粒界がないためデンドライト成長せず

負極

Li+

FZ 溶融炉の装置写真

Li+

正極

Li+

育成された
単結晶
10 rpm

10 mm/h 石英管
流通乾燥空気7 L/min.

Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+

正極
図6

全固体リチウム二次電池の内部短絡のイメージ図− 32 −

ガーネット型リチウム固体電解質の育成条件図

Synthesiology

Vol.12 No.1（2019）

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

を使用しない FZ 法を用いて、育成方法を検討、工夫する

図 7 に今回育成したガーネット型リチウム固体電解質ことで育成が可能であると判断した。また FZ 法を利用す

Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12 の単結晶ロッドと切断後、表面を研磨るメリットとして、ガーネット型リチウム固体電解質単結晶

した単結晶板を示す。図 7 に示すように長さ 8 cm 程度、の開発に成功した場合に、企業への技術移転や共同開発

直径 8 mm 程度の大型単結晶が世界で初めて育成できた。

が見込める点を考慮した。FZ 法で育成したさまざまな単4.2結晶を販売しているベンチャー企業が存在することや、FZ

び電気化学的評価

ガーネット型リチウム固体電解質の結晶学的およ

法はいわゆる溶融法であるため、FZ 法で単結晶が育成で初めに行った評価は、Nb の置換量によるリチウムイオン

きれば、さらに工夫をすることで、企業が生産現場で用い導電率特性の相関関係である。リチウムイオン導電率特性

る、工業的な大型単結晶育成手法が適応できる可能性がは高い方が電池動作に有利に働くため、最も重要な物性あるため、単結晶育成・製造設備を現有している企業と共である。交流インピーダンス法により、Nb 置換量とリチウ

同開発をする道も考えられた。実際に我々の公開特許でイムイオン導電率の相関関係を調べると、Nb 置換量が 0.5リジウムるつぼを使用したチョクラルスキー法（CZ 法）にのときにリチウムイオン導電率が最大となり、その値は図 8よる単結晶の引き上げ例もある

[25]

。

で示すように 298 K で 1.39 ×10 -3 S/cm であった。この値

実際に、FZ 法によるガーネット型リチウム固体電解質のは従来報告されてきた焼結体の試料よりも高く、粒界の影単結晶育成の検討を始めると非常に苦労した。そもそも、響がないためであると考えられる。X 線回折測定および中ガーネット型リチウム固体電解質の単結晶が溶融法で育成

性子回折測定の結果、図 9 に示すように、従来報告されて可能かもわからない。加えて、一般的に溶融法による単結いるガーネット型リチウム固体電解質の結晶構造とはリチウ

晶育成では、相図を見ながら検討することが多いが、ガームの配列が異なることを確認した。既報のガーネット型結

ネット型リチウム固体電解質は、組成も複雑なこともあり晶構造は 24d サイトにリチウムが占有しているのに対して、相図も存在しないからである。そこで、研究開発では、さ我々の結晶構造解析結果からリチウムは 24d サイトが 4 つ

まざまな単結晶育成パラーメータを変化させ、実際に育成分裂した 96h サイトを占有していた。その結果、既報のガーさせて凝固物を分析しながら、単結晶の育成を目指すといネット型結晶構造よりもリチウム間距離が短くなり、リチウ

う、トライアンドエラーで結晶育成の方法を探った。ガーネッ

ムイオン導電率の向上に繋がったと考えられる。

ト型リチウム固体電解質の単結晶育成について検討を開始

次に、ガーネット型リチウム固体電解質を単結晶化する

して 4 年がかりで、単結晶育成の条件を見いだした。育成

ことによって問題解決ができたかを調べるために、金属リ条件で特徴的な部分は、原料を仕込むときにリチウム源とチウムのデンドライド成長による内部短絡試験を行った。

なる炭酸リチウムを 1.2 倍程度過剰に添加すること、単結短絡試験は金属リチウムを貼り付けた対称電池を用いて、晶育成中は 7 L/min 程度の乾燥空気を流通させて揮発するリチウム由来のガスを取り除くこと、供給する多結晶試料(a)を約 40 rpm で回転させて気泡を外部に取り除くこと、単結晶育成の育成速度を 10 mm/h 程度にすることである。
図 6 に今回の育成の条件を示す。特に育成速度の部分は興味深く、一般的な FZ 法による単結晶育成では、育成
速度が 1 ～ 2 mm/h 程度で行われるが、今回のガーネッ
ト型リチウム固体電解質では、一般的に用いられる育成速度では単結晶が得られず、その 5 ～ 10 倍程度速い速度で単結晶が得られた。我々は、この方法を用いて、世界で(b)

初めて溶融法を用いたさまざまな化学組成のガーネット型
リチウム固体電解質の単結晶を育成して、特許出願やノウ
ハウをまとめたうえで、学術論文を発表した [26][27]。この論文では、文献 [26] に記載したガーネット型リチウム固体電解質の中でも、ジルコニウムの一部をニオブで置換した、
Li7-xLa 3Zr2-xNb x O12 について評価した結果を記載する。実験方法や実験結果の詳細は、同文献を参考にしていただ
きたい。

Synthesiology

Vol.12 No.1（2019）− 33 −

図 7 （a) 育成したガーネット型リチウム固体電解質
Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12 の単結晶、（b）切断、研磨した単結晶板

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

定電流を流し金属リチウムの溶解と析出を繰り返すことでこの論文の著者の一人である明渡により発見された「常確認した。図 10 に内部短絡試験結果を示す。この結果か

温衝撃固化現象」（粒子径 1 µm 前後のセラミックスなどの2

ら 0.5 mA/cm の電流密度でも短絡せず作動することが微粒子材料に、高い圧力や機械的な衝撃力だけをかける

確認された。また、内部短絡試験の結果から算出されたリことで、加熱することなく常温で高密度に固化できる現象）

チウムイオン導電率は 1.0 ×10 -3 S/cm であり、交流インピーを用いて、緻密で密着強度が高いセラミックス膜が金属、-3

ダンス法の測定結果 1.39 ×10 S/cm と大きな差異は見らガラス、プラスチックなどさまざまな材質の基板上に常温でれなかった。以上より単結晶を用いることで、ガーネット型形成できる。産総研がノウハウなど有する製膜プロセスでリチウム固体電解質の課題であった内部短絡の問題は解決

ある [28]。この製膜プロセスは、すでに企業により実用化さできたと考えている。

れている技術であり汎用性も高い。AD 法の詳しい説明や、これまでの取り組みは過去に同誌に記載された文献 [28] を

5

エアロゾルデポジション法による電極形成参考にしていただきたい。

もう一つの課題として、電極とガーネット型リチウム固体

今回、電極形成技術として AD 法を利用したのは、AD

電解質単結晶における固体同士の界面形成がある。この

法に技術的なメリットがあり、すでに産業用に実用化され課題には、電極形成にエアロゾルデポジション法（AD 法）ている技術であったからである。AD 法の代表的な特徴とを用いることで解決を試みた。AD 法は、微 粒子をガスして、加熱など温度を必要としない常温製膜プロセスで、と混合し減圧下でノズルから噴射することで、エアロゾル

塗工膜のようなバインダを必要としないこと、基板材料とジェットとして基板に衝突させ、膜を形成する技術である。

膜の密着性が強いこと、複数の微粒子を同時に用いること

－2000

－1500

Z" (Ω)O－1000

Zr, Nb
リチウムイオン導電率

従来の配列よりも Li
リチウムが分裂して距離が短い

1.39×10-3 S/cm @298 K

－500

0
0

500

1000

1500

La

2000

Z' (Ω)
図 8 交流インピーダンス測定によるガーネット型リチウム固体
電解質の 298 K でのナイキストプロットとリチウムイオン導電率

図9

育成したガーネット型リチウム固体電解質の結晶構造0.3

電圧 (V)

0.2
0.1

0.1 mA/cm2

0.2 mA/cm2

0.3 mA/cm2

0.4 mA/cm2

0.5 mA/cm2

0
－0.1
－0.2

－0.1 mA/cm2－0.2 mA/cm2－0.3 時 mA/cm2－0.4 mA/cm2－0.5 mA/cm2

リチウムイオン導電率 :1.0×10-3 S/cm

－0.3
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

時間 (hours)
図 10

内部短絡試験結果− 34 −

Synthesiology

Vol.12 No.1（2019）

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

で複合膜も可能であることなどが挙げられる。今回、ガー6

全固体リチウム二次電池の評価

ネット型リチウム固体電解質単結晶に電極を製膜するにあこれまで記述してきた、ガーネット型リチウム固体電解質

たり、特に、常温製膜プロセスであること、そして基板材

単結晶と AD 法を利用して、当センターオリジナルの酸化料と膜の強い密着性があることが電極形成に適していると物系全固体リチウム二次電池の試作を行った。負極活物質考えた。理由として、一つ目は、ガーネット型リチウム固体には、ガーネット型リチウム固体電解質単結晶のメリットを

電解質は比較的反応性の高い材料であるため、加熱を必生かすため、金属リチウムを圧着して用いた。図 12（b）に要とする製膜プロセスを用いると、基板であるガーネット型

今回開発した全固体リチウム二次電池の概略図を示す。評リチウム固体電解質と電極で反応して、別の物質が界面に価試験は、電圧範囲 3.0 V–4.2 V、0.5 µA で 60 ℃で 5 サ

生成され全固体リチウム二次電池として機能しなくなるため

イクル充放電した後、25 ℃で 5 サイクル充放電を行った。

である。二つ目は、ガーネット型リチウム固体電解質と電極

図 13 に 60 ℃における充放電試験結果、図 14 に 25 ℃にの界面は、リチウムイオンが移動するため、強い界面密着

おける充放電結果を示す。図 14 に示すように、NCA の理性が求められるからである。実際の製膜操作では、正極論容量には届かないが、室温環境下においても可逆的に充活物質として、現行のリチウム二次電池正極活物質である放電を行うことが確認された。すなわち、AD 法によるガー

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）と乾燥空気を用いて、減圧チャ

ネット型リチウム固体電解質と正極電極膜の固体同士の界ンバー内に設置したガーネット型リチウム固体電解質単結晶

面形成は十分強固であることが確認できた。また、
ガーネッにエアロゾルジェットを吹き付けることで製膜を行った。図ト型リチウム固体電解質単結晶は、従来のリチウム二次電12（a）に示すようにガーネット型リチウム固体電解質単結池における電解液とセパレータの機能を有していることが晶を基板として NCA 電極を AD 法により製膜した成形体

明らかとなった。

を示す。

(a)

AD法により接合させた正極ガーネット型リチウム固体電解質単結晶

単結晶固体電解質

電極膜

(b)

成膜

NCA 粉末正極(NCA)AD法により接合

電極膜

ガーネット型リチウム
固体電解質単結晶

成膜方向

負極金属(Li) 圧着して接合

図 11 AD 法によるガーネット型リチウム固体電解質単結晶基板への NCA 電極製膜の概略図

図 12 （a）ガーネット型リチウム固体電解質単結晶基板上にAD 法により製膜した NCA 電極膜、（b）開発した全固体リチ
ウム二次電池の概略図

4.5

4.5

5cycle ← 1cycle

5cycle ← 1cycle
4

電圧 (V)

電圧 (V)

電圧 (V)

4

3.5

3

2.5
0

5cycle ← 1cycle

20

40

60

80

100

120

2.5
0

140

図 13 Li/ ガーネット型リチウム固体電解質 /NCA 全固体リチ
ウム二次電池の 60 ℃における充放電特性

Vol.12 No.1（2019）

3.5

3

@60 ℃

容量 (mAh/g)

Synthesiology

3 mm

5cycle ← 1cycle

5

10

15

20

25

30

35

容量
容量 (mAh/g)(mAh/g)

40

@25 ℃

45

50

55

図 14 Li/ ガーネット型リチウム固体電解質 /NCA 全固体リチ
ウム二次電池の 25 ℃における充放電特性− 35 −

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

7

今後の展望
次世代二次電池の有力な候補である酸化物系全固体リ

チウム二次電池には、まだ多くの課題があり、今回はリチ
ウム固体電解質単結晶と AD 法を組み合わせることで課題の解決ができることを見いだした。
今回、世界で初めて育成に成功したガーネット型リチウム
固体電解質単結晶は、学術的にも、産業的にも多くの研究機関、企業に関心を持っていただいている。学術的な側面では、これまでにガーネット型リチウム固体電解質を含め、リチウム固体電解質の大型バルク体単結晶がなかった
ため研究が進んでいなかった。現在、固体アイオニクスの研究者と、単結晶中のリチウムイオンの固体拡散などの研究を、そして基礎物性の測定などを多くの機関と共同研究を行っている。さらに、単結晶を用いると理想的な電極界面を作製できるため、固体電解質と電極との界面構造の研究も行っている。また産業的な側面では、ガーネット型リチウム固体電解質の単結晶について、高品質化、量産化、大型化を目指して、企業と単結晶育成について共同開発を行っている。
当センターでは、ガーネット型リチウム固体電解質の単結晶が溶融法で育成できるメカニズムの解明、リチウムイオン導電率向上のためにさらに元素置換による新しいガーネッ
ト型リチウム固体電解質の探索、電極活物質とリチウム固体電解質の複合電極膜の作成、電極膜の厚膜化などを行っている。さまざまな課題はあるが、まずは高品質な固体電解質単結晶が育成できることから、関連企業との連携により、2030 年ごろまでに小型全固体リチウム二次電池の実用化を目指している。
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Synthesiology

Vol.12 No.1（2019）

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

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執筆者略歴
片岡 邦光（かたおか くにみつ）2004 年東京理科大学理工学部工業化学科卒業、2010 年筑波大学数理物質科学研究科
物性・分子工学専攻博士後期課程修了、2004
年から 2010 年まで産総研技術研修生、2009から 2010 年より日本学術振興会特別研究員、2011 年産総研特別研究員、2012 年より産総研任期付研究員、現在同研究所先進コーティ
ング技術研究センターエネルギー応用材料研
究チーム主任研究員、現在に至る。専門は結晶学。この論文では、前駆試料の焼結棒の作成、単結晶育成、結晶構造解析、電気化学測定を担当し、論文の執筆も担当した。
赤尾 忠義（あかお ただよし）
1994 年岡山大学工学部精密応用化学科卒
業、1996 年岡山大学大学院工学部精密応用
化学専攻修了、1996 年から 2005 年まで電池製造企業にてニカド電池・ポリマー電池開発等に従事、2005 年から 2014 年までベンチャー
企業にて高出力電池開発・電池製造工程改善・
電池製造工程立上げ等に従事、2014 年より技術コンサルタントとして独立、2017 年より産総研招聘研究員、現在に至る。この論文では、AD 法による電極成膜を担当した。
永田 裕（ながた ひろし）
2004 年岐阜大学大学院工学 研究科応用精密化学専攻博士前期課程修了、2015 年岐阜大学から論文博士制度により博士（工学）授与、2004 年から 2017 年まで化学メーカーや自動車
部品メーカー等にて材料開発に従事、2017 年
産総研特別研究員、2018 年より産総研先進コー
ティング技術研究センターエネルギー応用材料研究チーム主任研究員、現在に至る。専門は二次電池。この論文では、対称セルの作製を担当した。

Synthesiology

Vol.12 No.1（2019）

永井 秀明（ながい ひであき）
1993 年通商産業省工業技術院北海道開発
工業試験所（現 産業技術総合研究所）入所、1993 年九州大学 大学院 博士（工学）取得、2015 年より産総研先進コーティング技術研究センターエネルギー応用材料研究チーム主任研究員、現在に至る。専門は材料化学（セラミックス、半導体）、熱物性計測。この論文では、前駆試料の焼結棒の作成に関する部分について助言、担当をした。
秋本 順二（あきもと じゅんじ）
1990 年東京大学大学院理学系研究科博士課程鉱物学専攻修了、同年工業技術院化学技
術研究所入所、2015 年より産総研先進コーティ
ング技術研究センターエネルギー応用材料研
究チーム長、現在に至る。専門は電池材料酸化物。この論文では、単結晶育成、電気化学測定に関する全体のとりまとめ、監修を担当した。
明渡 純（あけど じゅん）
1984 年 早大 理 工学 部 応 用 物 理 学 科 卒、1988 ～ 1991 年同理工学部助手をへて、1991
年通商産業省工業技術院機械技術研究所入所、2001 年産 総 研グループ長。2015 年から
先進コーティング技術研究センター長、工学博士。大学時代に光磁気記録、光センサーの研究で材料開発からデバイス開発まで幅広く関わり、バーコードリーダーを製造するベンチャー企業で商品開発も手がける。機械技術研究所入所後、1994 年頃から現在の研究（AD 法）を着想。2002 年から 5 年間、NEDO ナノテ
クノロジープログラム・プロジェクトリーダー。この論文では AD 法による電極成膜に関する全体のとりまとめ、監修を担当した。

査読者との議論
議論1 全体についてコメント（小原 春彦：産業技術総合研究所）
全固体リチウム二次電池の実現に向けて、酸化物単結晶を用いた電解質、AD 法を用いた電極形成という独自性の高い研究を紹介しており、シンセシオロジー論文としての価値は高いものと考えます。
コメント（牧野 雅彦）
リチウム二次電池への社会的な需要は今後も増々増大していくことと思います。著者らが目指す「Iot、ウェラブル、医療用」への用途拡大にとって、この論文で開発された技術はその根幹をなすものと期待できます。この論文では、ガーネット型リチウム固体電解質の単結晶の育成について苦労したことが詳細に記述されており、シンセシオロ
ジー論文として適切であり、貴重な情報を含んでいると判断します。
議論2 酸化物系全固体リチウム二次電池への期待と研究開発課題
コメント（小原 春彦）
競合技術の硫化物系固体電解質については、安全性の問題を指摘するなど、分野外の読者からすると現在多くの企業、研究機関が開発に取り組んでいる硫化物系の全固体リチウム二次電池が危険である、という過度の懸念を抱かれる可能性があります。酸化物との比較の仕方など、論文の表現の配慮をすべきかと思われます。

− 37 −

研究論文：単結晶固体電解質を利用した小型全固体リチウム二次電池（片岡ほか）

回答（片岡 邦光）
硫化物系全固体電池を批判しているわけではなく、学会、論文等
でも硫化物系固体電解質の水分と反応して硫化水素ガスが発生する問題は長年議論されており、もはや全固体リチウム二次電池の研究者、開発者の中では、なかば常識的な部分です。しかし、大面積化が可能であり、界面形成に優れる硫化物系全固体リチウム二次電池を先行して実用化する動きはあり、各研究機関、各企業で、材料としては水分反応で硫化水素ガス発生を防げないため、パーケッジン
グなどを工夫することで研究開発を行っているのが現状です。一方で酸化物系全固体リチウム二次電池では、硫化物系のような安全性の関する問題がないのも、全固体リチウム二次電池の研究者、開発者
なかではなかば常識的となっております。
コメント（小原 春彦）
一般的に FZ 法は、るつぼが使えないような結晶成長に適用されておりますので、大型単結晶育成には大きなギャップがあるように思われます。もし大型多結晶育成への手がかりが得られていれば、可能な範囲で記載されると説得力が増すものと思われます。
回答（片岡 邦光）
大型化に関しては我々が出願している WO2016017769A1 の公開特許では、イリジウムるつぼを使用することでチョクラルスキー法（CZ法）によるガーネット型固体電解質の大型単結晶育成の証拠を提出しております。その事実を踏まえて、以下の文章を追記載しました。
実際に我々の公開特許でイリジウムるつぼを使用した CZ 法による単結晶の引き上げ例もある
コメント（小原 春彦）「従来報告されているガーネット型リチウム固体電解質と結晶構造
内でのリチウムの配列が異なる」と記載されています。なぜ、そのよ
うな結晶構造になったのか、物性（導電率など）にどのような影響を与えているのか、といった考察が加わると良いと思います。
回答（片岡 邦光）
なぜそのようにリチウム配列が変化したのかは、まだわかっておりません。回折データ量の多い単結晶を利用した中性子回折により本来あるべき結晶構造が確認できた可能性もあります。解釈の問題もありますが、本結果で得られた結晶構造は、従来ガーネット型結晶構造よりもリチウム間距離が短くなっており、その結果イオン導電率が向上したとも考えられます。
以上のことから、以下の文章を追記載しました。
従来報告されているガーネット型結晶構造は 24d サイトにリチウムが占有しているのに対して、我々の結晶構造解析結果からは 24d サ
イトが 4 つ分裂した 96h サイトを占有していた。その結果、従来報告されているガーネット型結晶構造よりもリチウム間距離が短くなり、リチウムイオン導電率の向上に繋がったと考えられる。

コメント（小原 春彦）「単結晶を用いることで、ガーネット型リチウム固体電解質の課題であった内部短絡の問題は解決できた」と記載されています。粒界が無いので、デンドライトができないのは自明のように思われます。あるいは根本的に単結晶を使うことによりデンドライト成長を抑制できるメカニズムなどがありますでしょうか。
回答（片岡 邦光）
自明のように思われますが、これは自明ではなく現在でも議論されているテーマです。デンドライトの成長は粒界のあるなしに関係なく生じる現象であるとする報告もあります。しかしながら今回の我々の結果から、単結晶固体電解質ではデンドライトを抑制することができました。一つの要因に図 4 に示すように、単結晶の表面が平坦であるため均質にリチウム金属が析出するためであると考えられます。実際に表面が荒れた単結晶固体電解質ではデンドライトが成長して、単結晶固体電解質が割れるという現象も確認しております。
議論3 AD法を用いる常温接合技術への期待
コメント（小原 春彦）
AD 法を用いる常温接合技術が、難しかった一体焼結の課題を解決する、と記載されていますが、界面抵抗や拡散の防止など、課題が解決しているかどうかが客観的に判断できません。何か課題解決のエビデンスはありますでしょうか。
回答（片岡 邦光）
AD 法は常温製膜技術であるため、加熱によるプロセスを必要としません。一体焼結法ですと、必ず焼結させるために加熱が必要であります。加熱を要すると、異種固体界面では相互的に熱拡散が生じるため、異相ができる可能性が高いです。一方で、AD 法が常温で製膜できる技術であるということが、何よりのエビデンスになると思います。
議論 4 「Iot、ウェラブル、医療用」への用途拡大
コメント（牧野 雅彦）「研究目標と社会のつながり」については技術的な記述に偏っており、図 2「リチウム二次電池の現状と将来展望の俯瞰図」に見られる「高安全性化」「長寿化」「耐環境性」や「用途：IoT、ウェラブル、医療用」についてこの論文で言及されてはいかがでしょうか？ 医療用の二次電池は社会からの期待が大きいかと思います。
回答（片岡 邦光）
以下の文を追記しました。
酸化物系全固体リチウム二次電池は硫化物系全固体リチウム二次電池と比較して、大面積化などが必要である高容量化や高出力化は、まだまだ難しいものの、高安全性、長寿命化、耐環境性に優れると考えられており、使用用途としてはそれらの特性を活かした、小型全固体リチウム二次電池により物のインターネットとよばれる IoT 用途
や、ウェアラブル用途、医療用途を目指すべきであると考えている。

− 38 −

Synthesiology

Vol.12 No.1（2019）