2015 Fiscal Year Annual Research Report
高速充放電リチウムイオン電池用正極に向けた強誘電体／活物質ナノコンポジットの創製
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15H04126
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
寺西 貴志 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (90598690)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸本 昭 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (30211874)
林 秀考 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (90164954)
保科 拓也 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (80509399)
安井 伸太郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40616687)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | Liイオン電池 / 固体電解質界面 / 強誘電体 / 分極 / 高速充放電特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハイブリッド自動車や電気自動車の加速的な普及に伴い，高速充放電可能な蓄電池に対する需要が急速に高まっている．我々はこれまでにLiイオン二次電池を出発として，その正極活物質に強誘電体からなる人工的な固体電解質界面(SEI)を担持させることで，高速充放電特性，すなわち出力特性の大幅な改善を報告した．これは直流電界下で生じる誘電分極によりLiの界面移動反応が促進されていることに由来したものと考察した．本研究は，人工誘電体SEIの組成や担持量など最適複合構造を決定するとともに，特性改善における詳細なメカニズム解明を行うことを研究目的とした．H27年度は強誘電体SEIとしてBaTiO3(BTO)を選択し，Liイオン電池の代表的な活物質であるLiCoO2(LCO)粒子に対して液相反応(ゾルゲル法)により担持させた．電池出力特性におけるBTOの担持量依存性について調査した．結果，低レート(0.1C＝10時間満充放電)ではBTO担持量増大に伴い，電気容量は単調減少した．これは単純にBTO担持量増大に伴う活物質量減少によるものであった．一方，高レート(10C＝6分間満充放電)においては，BTO添加に伴い電気容量は著しく増大し，BTO添加量1mol%付近において最大値146 mAh/gを示した．この値は，未処理LCO(10C放電容量62mAh/g)に対して，約238%の改善であった．電池充放電中でのin-situインピーダンス解析を行ったところ，LCOのレドックス電位付近(～3.9V)で，BTO担持試料において未処理LCOに比べて，明らかな電荷移動抵抗の低減が確認された．これは強誘電体SEI－活物質－電解液三相界面でLiイオンの挿入脱離が円滑化しているためと推察した．関連の研究成果は多数の学会発表，並びに論文発表（2編）により報告している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
電池出力特性が最適となる強誘電体BTOの最適担持状態を決定すべく，H27年度はBTOの被覆率最適化を行った．結果，BTO 1mol%において電池特性が最適化することを見出した．またセルin-situインピーダンス解析より，BTO担持試料においてLiイオン電荷移動抵抗が大幅に低減していることを確認した．一連の結果は，強誘電体―活物質―電解質三相界面においてLiイオンの拡散促進が生じている可能性を示唆しており，当初より我々が推定している特性改善メカニズムと合致する．今後，上記三相界面におけるLiイオンの移動促進機構についてより詳細に検証する必要はあるが，これまで研究はおおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
H27年度は，正極活物質LiCoO2(LCO)に強誘電体BaTiO3(BTO)を1mol%，ゾルゲル法により担持することで高速充放電特性が飛躍的に改善されることを確認した．さらに，in-situインピーダンス解析の結果，BTO担持試料において電荷移動抵抗が大幅に低減することを確認し，これは強誘電体SEI－活物質－電解液三相界面でのLiイオン挿入脱離の円滑化によるものと推察した．H28年度は，複合体合成方法を従来ゾルゲル法から金属有機分解(MOD)法に変更し，均一核生成によるBTO粒子の微細化を図る．BTOの粒径減少により上記三相界面密度は増大する．このアプローチにより実際に，電池高速充放電特性が改善されれば，三相界面密度が重要なファクターであることを実証できる．さらにモデル的実験として，パルスレーザー体積法(PLD法)を用いてBTOとLCOの積層薄膜電池を作製し，三相界面密度を変化させた際に出力特性がどのように変化するかを詳細に調査する．また，Co-K吸収端における時分割XAFS(X線吸収微細構造)測定を電池充放電中において行う．強誘電体BTO担持がキャパシタライクな効果ではなく，Coのレドックス反応を促進していることを確認する．
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