硫化物固体電解質の耐水性評価の取り組み～全固体電池の実用化を目指して～

私が所属する電池技術研究部門では、次世代の二次電池（蓄電池）に関する研究を行っています。現在、スマートフォンから電気自動車まで幅広く普及しているリチウムイオン電池は、軽量化・小型化において理論的な限界が近づいています。この限界を超えるため、エネルギー密度（同じ重さ・体積の蓄電池にどれくらいのエネルギーを蓄えられるか）が高く、かつ信頼性・安全性の高い次世代蓄電池の実現を目指しています。

そのなかでも、特に期待されている技術のひとつが全固体電池です。全固体電池は電解質に固体を用いた電池です。電解質とは、正極と負極の間でイオンを運び、電気の流れを生み出す物質で、リチウムイオン電池では有機溶媒にリチウム塩を溶かした液体電解質が使われています。しかし、この液体電解質は熱に弱く、発火の恐れがあることに加え、漏液のリスクも抱えています。

これに対して、固体電解質は高電圧や高温に強いという特徴があります。なかでも、固体電解質の候補として注目されているのが硫化物固体電解質です。他の固体電解質（酸化物、有機物）に比べて電気を伝えやすく、熱暴走も起こしにくいというメリットがあります。一方で、水に非常に弱く、水分に触れるとすぐに変性が始まり、有毒な硫化水素が発生したり電気の伝えやすさが低下してしまうという課題があります。ドライルームのようなごく微量な水蒸気でも劣化が始まってしまうほどです。

そこで私は、硫化物固体電解質の耐水性試験に力を入れています。密閉容器に硫化物固体電解質を入れ、そこに水分の量を制御した加湿ガスを注入し、構造の異なる各種硫化物について、どれくらい硫化水素が発生するかを比較する試験です。
調べていくうちに、同じ硫化物でも構造によって振る舞いが大きく変わることがはっきりしてきました。この研究を足がかりに、より劣化に強く、安全な硫化物を見つけ出し、全固体電池の実用化に貢献できたらうれしいですね。

硫化物固体電解質の耐水性評価用システムの模式図

実験はアルゴンガスで満たしたグローブボックスの中で行うのですが、硫化物固体電解質は静電気を帯びやすく、はかり取りの際に飛散しやすく困っていました。アルミホイルを使って工夫していましたが、コンタミネーションの心配が多くあり、加えて掃除も大変でした。そこで島津製作所さんの除電器(STABLO-AP Ar)をグローブボックスに入れて使用したところ、目に見えて飛散が起きなくなり、コンタミネーションの心配は大きく減り作業効率も上がりました。また、除電器は、その使い方をあまり把握せず使っていたのですが、開発者の方から直接、原理や使い方を教えていただく機会があり、正しくそして効果的に使えるようになり感謝しています。

私が分析の世界に入ってから約20年が経ちました。島津製作所さんのLC、GCも使わせてもらいましたが、その間の装置の進歩には本当に驚かされます。性能そのものはもちろんですが、使い勝手の向上も大きいですね。

グローブボックス内にイオナイザSTABLO-AP Arを設置して使用いただいている

島津製作所さんは、装置の原理や応用例を紹介するセミナーをしばしば開催されていますよね。私もよく参加させてもらっていますが、そういった学びの機会を、ぜひ今後も継続し、さらに増やしていただけたらと思っています。

先ほども申し上げたように、装置の使い勝手は大きく向上しました。たとえば物質表面の特性分析に使われるXPSでは、サンプルを入れてボタンを押せばスペクトルが出てくる。最近では、ボタン操作すら必要なく、結果が出てくるような装置も現れています。
それはそれで非常に便利なのですが、一方で、少し怖いなと感じることもあります。私が研究を始めた頃は、どんな装置でも、その原理を理解していて当たり前でした。ところが今は、「ボタンを押したら結果が出てくる装置」になっていて、若い研究者のなかには、装置内で何が起きているのか分からないまま使っている人も少なくありません。

島津製作所さんは、ユーザーの声をよく聞いて製品開発に取り組んでくださっていますが、もし仕組みを理解しないまま使っているユーザーばかりになってしまったら、「ここをこうしてほしい」といった具体的な要望も出てこなくなってしまうでしょう。

もちろん、ユーザー側で勉強すべきだという考え方もありますが、実際には、そうした学びの機会を得るのはなかなか難しいものです。その点、セミナーを通じて、学ぶ環境を整えていただけるのは本当にありがたいですね。原理や仕組みを理解していれば、装置の工夫点についての説明もより深く理解できますし、逆にユーザーの立場から、開発者が見落としているかもしれない点を指摘できるかもしれません。よい意味で批判的な研究者が育つことが、科学技術の発展には重要だと思っています。

佐野様にはイオナイザSTABLO-AP Arの開発時から、ご意見をいただくなど大変お世話になりました。また、今回は改めて研究内容や取り組みなどをお伺いし、弊社装置が日々の研究の中でお役に立てていることをお聞きし、非常に嬉しく責任も感じています。今後ともお客様のお役に立てるよう、一層力を注いでまいります。この度は貴重なお話を、ありがとうございました。

※本記事でご紹介した製品名は掲載当時のものとなります。