摘要：本研究是一项旨在利用陶瓷和金属制造燃料电池与二次电池，大幅提高电池性能、耐久性及可靠性的基础应用研究。阻碍固态电池商用化的原因是其核心构成部件由陶瓷制成，机械强度低。为此，本研究通过将电池的部分构成材料与具有纳米多孔结构的金属进行组合，成功开发出了兼具高性能、耐久性和可靠性的电池。此外，还率先在世界上成功开发出了一种非破坏性评价方法，能够快速评价界面结构的稳定性。

关键字：全固态电池、燃料电池、二次电池、可靠性、耐久性、纳米多孔金属、太赫兹波、机器学习

1、研究背景

电能的制造︎与储存技术的开发是亟待解决的全球性课题，研究者们提出了各种各样的方案。其中，以燃料电池和二次电池为首的电化学装置，作为能量损失最小的电能制造与储存方法广为人知。近年来，以开发使用年限超过10年的电化学装置为目标的全固态电池的研究开发在世界范围内蓬勃开展。

另一方面，为了使由脆弱的陶瓷氧化物构成的全固态电池投入实用化，不仅要提高性能，还要大幅提高可靠性和耐久性。因此，通过使用可靠性高的金属或金属与陶瓷的复合体来提高可靠性是必行之策。考虑到催化性能和电子传导性，此前大多采用Ni和陶瓷复合而成的金属陶瓷为结构载体，但是长期使用导致的疲劳周期会使结构发生很大变化，机械特性和电气特性随之发生剧变，因此有必要提出新的结构概念和开发新型材料。而且，几乎没有对金属陶瓷复合体的反应界面的稳定性进行定量评价的案例。

2、研究目的

以燃料电池和二次电池为首的电化学装置是能够极其高效地制造和储存电能的系统。通过使用功能性氧化物将装置完全固体化，可以克服以往电化学装置耐久性差的缺点。为了进一步改善装置，希望与可靠性高的金属材料组合，构成结构载体。因此，本研究采用控制纳米结构的金属作为结构载体，制造全固态电池。同时，本研究旨在开发用于阐明发生电化学反应的界面的稳定性和反应性的快速评价方法，并提出阐明力学、电学、化学反应联动效应的方法论。

3、研究方法

为实现研究目的，重点进行以下4个研究课题。第一年主要是采用此前开发的试验装置，对各种氧化物的电学、化学、机械特性进行评价，并建立数据库。根据研究结果推进各研究课题，致力于得出全固态电池的最佳结构设计以及层叠界面稳定性的快速评价方法。

研究（1）

以CeO₂，Ni-YSZ，钴酸锂，Ni-Fe为对象进行缺陷（氧·晶格）的精密测定，评价弹性特性，以及构建数据库。

研究（2）

对复合环境下包括氧压、温度、电位、外力等蠕变循环特性在内的机械与电化学特性进行评价，构建包括成分、微细结构的数据库。

研究（3）

使用各种光谱法评价晶体结构和电子结构。采用研究室及其他设施中拥有的原位分光技术评价晶体结构、电子结构和层叠型电池的剥离行为。另外，开发基于研究（1）得到的缺陷与晶体结构等信息数据库来预测各种物性的方法。

研究（4）

构建以电池内部化学状态为参数模拟电池运转状态的模拟代码，以及为了开发基于机器学习的电池最佳结构设计方法，构建电池性能、应力、形变的数据库。最终构建动态应力、形变预测以及电化学分析的模型。

4、研究成果

本研究以世界范围内积极推进研发的全固态电池为对象，主要就4个课题进行了系统研究。首先，第一年以研究（1）为中心，成功实现了对候选构成材料缺陷（氧·晶格）的精密测量以及对其弹性特性的评价，并建立了数据库。另外，发现作为研究材料的纳米多孔Ni-Fe的由纳米结构缺陷引起的特异性行为，并且用以往常识完全无法解释。该材料具有良好的热、氧化、还原循环特性，与普通的纳米结构不同，即使长时间在温度、气氛循环的状态下，结构也能保持稳定。如果对于廉价材料也能够通过类似结构来控制其特性，则这一方法有望应用在各种材料中。

接下来，研究（2）以YSZ和Ni-Fe材料为中心，从各种角度进行了实验性和计算化学研究，成功阐明了原子水平的结合强度和形变行为机制。以本研究成果为基础，设立了试验法的国际标准化委员会（图1）。

图1. 陶瓷的宏观蠕变行为

在研究（3）方面，特别是利用太赫兹波，成功开发出了能够定量且快速评价电池层叠结构体反应界面稳定性的方法论。结合机器学习，成功将目视和接触完全无法得知的剥离面积进行了定量且迅速的可视化测量（图2）。此外，还成功利用X射线残余应力装置在极短时间内评价了界面的应力状态变化。

图2. 对太赫兹波进行集群分类后的阴极图像：(a)为健康电池，(b)为性能低下的电池

最后是研究（4），构建以电池内部化学状态为参数模拟电池运转状态的模拟代码，以及为了开发基于机器学习的电池最佳结构设计方法，构建电池性能、应力、形变的数据库。向电池开发企业提供模拟代码，进行有效性验证。

5、研究意义

对于制造全固态电池来说，最重要的是新材料的开发以及材料之间的组合方法和结构最优化。在本研究中，通过将金属部件的结构进行纳米多孔化，成功地创造了与陶瓷的最佳界面。另外，还开发出了能够迅速评价界面稳定性的方法。该成果不仅适用于全固态电池，还有望应用于各种层叠装置。

全固态电池中力学、电学、化学因素相互作用机制的阐明及其应用