Reaction control of layered silicon electrode in lithium-ion battery and its reaction mechanism

• Project/Area Number: 23K21150
• Project/Area Number (Other): 21H02054 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 唐 捷 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, 特命研究員 (80354158)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: リチウムイオン電池 / 層状シリコン / コンポジット電極 / 電極反応メカニズム / 層状シリコン負極 / チウムイオン電池 / 反応制御 / 反応機構

Outline of Research at the Start

リチウム(Li)イオン電池で、シリコン(Si)は、大きな充放電容量をもつ負極材料であり、多くの研究が行われている。しかし、充放電過程での大きな体積膨張(300-400%)の問題がある。しかし、我々が開発したSi-炭素（C）層状複合化合物電極では、このような体積膨張が著しく抑えられることが見出された。これは、従来のSiとLiとの合金化反応と異なる反応の可能性を示唆している。しかしその詳細はまだ明らかではない。本研究では、実用化を目的とした高性能な層状Si負極材を開発するとともに、充放電過程で起こりうる吸着・脱着反応、置換反応、インターカレーション反応を分離し、層状Si負極材の電極反応メカニズムを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、i) リチウムイオン電池における層状シリコン負極の電極反応メカニズムを明らかにし、ii) 高性能シリコン負極材を開発する、ことである。本研究によって、従来の合金化反応(LixSiの生成)と電極反応の解明と、実用化に向けたシリコン負極材の開発が期待できる。
令和5年度の研究実績の概要は以下の通りである。
研究目的の達成に当たっては、膜厚を制御した層状シリコン(規格化した層状シリコン)の作製の成否が鍵となる。課題申請者らは、昨年度までに、従来のイオン交換の手法ではなく、CaSi2溶液中に直接炭酸ガス導することで、層状シリコン作製の手法を開発した。
令和5年度、本作製では、溶液濃度を変えることで、シリコン層厚さを数原子層単位で制御することが可能であることがわかった。さらに、層状シリコンとグラフェンの積層コンポジット電極作製においても独自の手法を開発した。すなわち、水溶液のpHを調整することによって、層状シリコンとグラフェンオキサイド(GO)のヘテロ凝集コロイドを合成することで、上記積層コンポジットの作製に成功した。本積層コンポジットを負極に用いたリチウムイオン電池の特性は高い耐久性を示した。例えば、電流密度0.3 A/gで450サイクル後でも約800 mAh/gの放電容量を保持していた。研究では、充放電反応前後での積層コンポジット負極の化学的、構造的変化を調べた。TEM及びSEM観察では、充放電前後のコンポジットの微細構造において顕著な違いは見られなかった。これは、充放電反応によるシリコン層の体積膨張が抑制されていることを示唆していた。XRD、Ramanスペクトル、及びXPS測定では、LixSiの生成といった反応は確認できなかった。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Biomineralization-inspired: rapid preparation of a silicon-based composite as a high-performance lithium-ion battery anode (2021)
  • Author(s): Runsheng Gao, Jie Tang, Shuai Tang, Kun Zhang, Kiyoshi Ozawa and Lu-Chang Qin
  • Journal Title: J. Mater. Chem. A, Volume: 9 Issue: 19 Pages: 11614-11622
  • DOI: 10.1039/d1ta01919h
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research