球状カーボンゲルを利用したリチウムイオン電池用高容量負極材料の開発

• Project/Area Number: 13750716
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 反応・分離工学
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 向井 紳 京都大学, 工学研究科, 助教授 (70243045)
• Project Period (FY): 2001 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2002: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2001: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
• Keywords: リチウムイオン電池 / 電極材料 / 負極材料 / アモルファスカーボン / 微粒子 / カーボンゲル / 珪素 / 可逆容量 / 不可逆容量

Research Abstract

昨年度までにレゾルシノールとホルムアルデヒドをゾルーゲル重合させたものを界面活性剤を添加した油層に分散させて得られる有機湿潤ゲルを凍結乾燥し、炭化すると微粒子状のカーボンゲル(カーボンクライオゲル微粒子)が得られることを明らかにした。合成条件を変えて作製した微粒子の構造を詳細に分析したところ、エタンや二酸化炭素が侵入できないようなミクロ細孔が表面に存在するカーボンクライオゲル微粒子が作製可能であることが分かった。リチウムイオン電池の負極への利用を考えると、このような表面構造を有する炭素材料のリチウムイオン不可逆容量は非常に低いことが期待される。実際に定電流充電により材料のリチウムイオン容量を測定したところ、実電池で使用されているグラファイト系材料並みの低い不可逆容量を有することが分かったが、可逆容量も低いことも明らかとなった。
そこで、材料のリチウムイオン可逆容量を増大させるべく、ヘテロ元素の導入を試みた。ヘテロ元素には珪素を選択し、その微粉末を合成時の原料溶液に分散させることにより、カーボンクライオゲル微粒子内に包含することを試みた。得られた微粒子を走査型電子顕微鏡で観察したところ、原料溶液に分散させた珪素は効率よくカーボンゲル微粒子内に取り込まれていることが分かった。さらに、珪素導入により材料のリチウムイオン可逆容量が飛躍的に増大し、現在市販されている電池に使用されている材料の2倍程度の可逆容量を有する材料の作製が可能であることが分かった。