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2012 Fiscal Year Annual Research Report

エピタキシャル薄膜を用いたリチウム電池電極の反応解析

Research Project

Project/Area Number 10J56282
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

鈴木 耕太  東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 特別研究員(DC1)

Keywordsリチウム電池 / 電極界面反応 / エピタキシャル薄膜 / X線表面散乱法 / 固固界面
Research Abstract

パルスレーザ堆積法を用いて,SrTiO_3単結晶基板の上に,様々なリチウム電池電極材料のエピタキシャルモデル電極を合成した.LiFePO4(100)電極において,α軸方向へのリチウム異常拡散と膜厚減少による電極特性向上が観測され,Li(Mn,Co,Ni)O_2(1-18),Li_4Ti_5O_<12>(111)電極は理論容量を超える充放電容量を示した.また,中性子反射率法,表面X線回折法によるその場観察を行い,電池作成(固液界面形成)時の電極と電解液界面における構造変化を調べた.LiFePO_4(100)電極では,格子間リチウムの挿入,Li(Mn,Co,Ni)O_2(1-18),Li_4Ti_5O_<12>(111)電極では,リチウム欠損の生成が観測された.このことから,固液界面形成に伴いリチウム拡散が進行し,空間電荷層が形成されることが示唆された.ナノ電極における,マイクロ電極と大きく異なる電気化学特性は,これまでナノ効果として,比表面積の増大や,リチウム・電子拡散距離の短縮,表面エネルギーの寄与によって出現すると考えられてきた.しかし,本研究の結果から,空間電荷層の形成後の構造が,ナノ電極の電気化学特性に寄与していることが見出された.電池作成時に観測された空間電荷層の形成は,電極と電解液界面における化学ポテンシャルの差を緩和させるために,リチウムが拡散したことによると考えられる.半導体や電子伝導体の場合,界面における空間電荷層は電子の移動によって形成される.しかし,リチウム電池電極材料や電解液は,電子伝導性が乏しいため,リチウムイオンが正電荷キャリアとして機能することで,空間電荷層が形成する.この挙動は,リチウムのインターカレーションが可能な電極の特徴の一つであり,さらに,それにより引き起こされる電極構造変化が,電子移動の場合に比べて大きいことが,電極の物性に強く影響し,ナノ電極の優れた電気化学特性に寄与していると考えられる.

  • Research Products

    (8 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Fabrication and electrochemical properties of LiMn_2 O_4/SrRuO_3 multi-layer epitaxial thin film electrodes2013

    • Author(s)
      K. Suzuki. K. Kim, S. Taminato, M. Hirayama, R. Kanno
    • Journal Title

      J. Power Sources

      Volume: 226 Pages: 340-345

    • DOI

      10.1016/i.ipowsou.2012.11.008

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characterization of Nano-Sized Epitaxial Li4Ti5Oi2(110) Film Electrode for Lithium Batteries2012

    • Author(s)
      K. Kim, T. Toujigamori, K. Suzuki, K. Tamura, J. Mizuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 80 Pages: 800-803

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.80.800

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] LiMn_2O_4電極における表面修飾効果の発現機構2013

    • Author(s)
      鈴木耕太, Kim Kyungsu, 田港聡, 萩原明日菜, Son Jin-Young, 田村和久, 稲見俊哉, 小西啓之, 水木純一郎, 平山雅章, 菅野了次
    • Organizer
      電気化学会第80回大会
    • Place of Presentation
      仙台、 宮城県
    • Year and Date
      2013-03-29
  • [Presentation] LiFePO_4エピタキシャ薄膜を用いたナノ電極反応解析2012

    • Author(s)
      鈴木耕太・平山雅章・Kim Kyungsu, 田村和久, 水木純一郎, 菅野了次
    • Organizer
      第53回電池討論会
    • Place of Presentation
      福岡、 福岡県
    • Year and Date
      2012-11-16
  • [Presentation] Modification effects on structural changes of LiMn2O4 electrode during the electrochemical process2012

    • Author(s)
      K. Suzuki. K. Kim, S. Taminato, M. Komo, A. Hagiwara, J.-Y. Son, T. Inami, H. Konishi, K. Tamura, J. Mizuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • Organizer
      PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMIC AL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
    • Place of Presentation
      Hawaii (アメリカ)
    • Year and Date
      2012-10-08
  • [Presentation] Mechanistic study on the surface modification effects using the LiMn_2O_4 thin film electrodes2012

    • Author(s)
      K. Suzuki. K. Kitn, S. Taminato, J.-Y. Son, T. Inami, H. Konishi, K. Tamura, J. Mizuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • Organizer
      IUMRS-International Conference on Electronic Materials 2012
    • Place of Presentation
      横浜、 神奈川県
    • Year and Date
      2012-09-26
  • [Presentation] Lithium ion diffusion along a-axis in nanosized LiFePO_42012

    • Author(s)
      K. Suzuki. M. Hirayama, K Kim, M. Komo, R. Kanno, K. Tamura, J. Mizuki
    • Organizer
      16th International Meeting on Lithium Batteries
    • Place of Presentation
      済州島(韓国)
    • Year and Date
      2012-06-21
  • [Remarks]

    • URL

      http://www.kanno.echem.titech.ac.jp/

URL: 

Published: 2014-07-16  

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