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ガラスの結晶化制御による全固体型リチウム二次電池用バルク正極材料の創製

Research Project

Project/Area Number 10J07939
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Inorganic materials/Physical properties
Research InstitutionNagaoka University of Technology

Principal Investigator

長嶺 健太  長岡技術科学大学, 大学院・工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2010 – 2011
Project Status Completed (Fiscal Year 2011)
Budget Amount *help
¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2010: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywordsリチウムイオン二次電池 / リン酸金属リチウム / 結晶化ガラス / 酸化物ガラス / 電子顕微鏡 / リン酸バナジウムリチウム / リン酸鉄リチウム / X線回折 / 充放電特性評価
Research Abstract

リチウムイオン(Li^+)二次電池は,軽量,高エネルギー密度といった特徴を有する優れた二次電池である。これまでにLi^+電池用材料合成の新規手法としてガラス結晶化法を提案し,高速かつ簡便に材料を合成できる手法である事を明らかにした。しかしながら,ガラス結晶化法では,前駆体としてバルクガラスを経るため,微粉末を得るためには粉砕プロセスが必要になるという問題がある。バルク結晶化ガラスをそのまま利用可能な全固体型Li^+電池を提案することで,ガラス結晶化法のメリットを最大限に生かす事が出来ると考えられる。そのような提案を実現するにあたって,ガラス材料中における結晶成長挙動を詳細に調査することは重要である。結晶成長挙動や形態を明らかにすることで,モルフォロジーの制御や非晶質イオン伝導相の付与などにつなげることができると考えられる。
本年度は,透過電子顕微鏡を用いることでLi_2O-Fe_2O_3-P_2O_5(LFP)ガラス中におけるLiFePO_4結晶の生成・成長挙動の観察を試みた。その結果,LFPガラス中では温度の上昇に伴い,3段階を経てLiFePO_4結晶が成長することが明らかとなった。LFPガラス中において,LiFePO_4はバルク結晶化(均一核生成プロセス)機構により生成する。しかしながら,結晶成長のためには,H_2/ArやグルコースによるFe^<3+>のFe^<2+>への還元が必要であるため,バルク結晶化プロセスではなく,表面から内部へと進行する。
これらの結果から,ガラス結晶化法によりLiFePO_4結晶を合成する際には,前駆体ガラス粉末の粒径,熱処理温度,時間を変化させることで,結晶子サイズの制御や結晶子粒界の非晶質層の制御が行える可能性があると考えられる。Nbの様な異種元素を添加した場合,結晶子界面に排出されると考えられるから,LiFePO_4の界面制御に利用することが可能である。界面制御は,リチウムイオン電池の反応速度を向上させるために有効な手法である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでの研究において,ガラス結晶化法によるリチウムイオン電池正極材料合成の有用性およびガラス中における正極結晶の生成・成長挙動を明らかにした。特にリン酸バナジウムリチウム系においては,通常のセラミックスプロセスで作製したものと比較し,良好な電池特性も得られている。これら成果は,ガラスを前駆体とした全固体型Li^+電池作製に繋がるものである。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究において,リン酸バナジウムリチウムLi_3V_2(PO_4)_3およびリン酸鉄リチウムLiFePO_4のようなリン酸遷移金属リチウム結晶およびガラスについて取り扱ってきた。リン酸バナジウムリチウムガラスは結晶化に対する熱的安定性が非常に高く,空気中の熱処理ではほぼ結晶化しないことが明らかとなった。つまり,結晶化が起きる際には還元プロセスを経る必要がある。従って,ガラスの厚み,熱処理温度,雰囲気を制御することで,他の異相を析出させることなく容易にLi_3V_2(PO_4)_3正極結晶材料とLi^+イオン伝導性ガラス材料のハイブリッド材料を作製できると考えられる。この材料と,負極となりうる材料を複合化することにより,結晶化ガラス全固体型Li^+電池を作製可能である。このようにリン酸バナジウムリチウムのバルク結晶化ガラスの作製を進める必要があると考えられる。

Report

(2 results)
  • 2011 Annual Research Report
  • 2010 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2012 2011 2010 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (8 results)

  • [Journal Article] Formation Mechanism of LiFePO_4 in Crystallization of Lithium Iron Phosphate Glass Particles2012

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al
    • Journal Title

      Journal of Ceramics Society of Japan

      Volume: 120[5](掲載許可) Pages: 193-198

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A fast synthesis of Li_3V_2(PO_4)_3 crystals via glass-ceramic processing and their battery performance2011

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: 196[22] Issue: 22 Pages: 9618-9624

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2011.06.094

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of LiVOPO_4/Carbon composite via glass ceramics processing2011

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al.
    • Journal Title

      IOP Conf.Series : Materials Science and Engineering

      Volume: 21

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Journal Article] Crystallization behavior of lithium iron phosphate glass powders in different atmospheres

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al.
    • Journal Title

      Journal of the American Ceramics Society

      Volume: (In press)

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Li_3V_2(PO_4)_3/C Synthesized by a Crystallization of Lithium Vanadium Phosphate Glass and Their Battery Performance2012

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al
    • Organizer
      The 1^<st> International GIGAKU Conference in Nagaoka
    • Place of Presentation
      新潟県長岡技術学大学
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] ガラス結晶化法によるLi_3V_2(PO_4)_3の合成および電気特性評価2011

    • Author(s)
      長嶺健太, ら
    • Organizer
      日本セラミックス協会2011年年会
    • Place of Presentation
      静岡
    • Year and Date
      2011-03-16
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication of LiVOPO_4/Carbon composite via glass ceramics processing2011

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al.
    • Organizer
      International Symposium on Global Multidisciplinary Engineering 2011
    • Place of Presentation
      新潟
    • Year and Date
      2011-01-24
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication and characterization of lithium vanadium phosphate glass-ceramies for lithium ion battery2011

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al
    • Organizer
      12^<th> Conference of the European Ceramic Society, Sweden-Stockholm
    • Place of Presentation
      スウェーデンーストックホルム
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] ガラスを前駆体としたLi_3V_2(PO_4)_3結晶の合成と電池特性2011

    • Author(s)
      長嶺健太, ら
    • Organizer
      2011年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      新潟県朱鷺メッセ
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 透過型電子顕微鏡を用いたリン酸鉄リチウムガラス中の結晶成長挙動観察2011

    • Author(s)
      長嶺健太, ら
    • Organizer
      第52回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
    • Place of Presentation
      愛媛県イーグレひめじ
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Effects of Atmosphere and Particle Size on the Crystallization of LiFePO_4 in Lithium Iron Phosphate Glasses2010

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al.
    • Organizer
      3^<rd> International Congress on Ceramics
    • Place of Presentation
      大阪
    • Year and Date
      2010-11-16
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] CRYSTALLIZATION OF LITHIUM IRON PHOSPHATE GLASSES FOR LITHIUM ION BATTERIES2010

    • Author(s)
      K.Nagamine, et al.
    • Organizer
      International Congress on Glass 2010
    • Place of Presentation
      ブラジル・サルバドール
    • Year and Date
      2010-09-23
    • Related Report
      2010 Annual Research Report

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Published: 2010-12-03   Modified: 2024-03-26  

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