2017 Fiscal Year Annual Research Report
In-situ STEMによる電極反応プロセスの直接観察と高性能電極材料の創製
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16H05967
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
瓜田 幸幾 長崎大学, 工学研究科, 助教 (40567666)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | in-situ TEM / LIB / EDLC / 多孔性カーボン電極 / SnO2ナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，電気二重層キャパシタ (EDLC) 及び リチウムイオン２次電池 (LIB) の高性能化に向けた新規電極材料を設計すべく，電極における充放電メカニズムの解明を目的としている。本年度は，EDLC用のカーボン電極材料に対しては細孔構造 (細孔径分布や形状) とEDLC特性の関係を明らかにし，in-situ観察のためのカーボン電極材料の選定を行った。LIBについては，SnO2ナノ粒子 (平均粒径：20 nm) の各反応電位前後の電子顕微鏡観察及びXRD測定を行い，ex-situによる構造変化の追跡を行った。通常，電気化学測定は電極活物質 (ここではSnO2)，導電助剤，結着材を混練したものを電極として用いるが，充放電状態にあるSnO2の高分解能観察を妨害する導電助剤，結着剤を用いず，さらに充放電曲線が十分に測定可能な手法を考案した。本手法はSnO2に限らず種々の電極材料に応用可能なex-situ電子顕微鏡観察法 (充放電状態にある活物質の観察) と言える。
一方，in-situ観察については観察用セルへの試料固定化の次のステップとして，観察ホルダへのセルの組み込み条件及び電子顕微鏡観察条件の検討を行った。既往の手法は液体を閉鎖系のセルへ保持するものであったが，電気化学測定においてはゲストイオンの供給が必要であるために開放形のフローシステムにて行う必要がある。本課題については電解液の導入方法・流速やセルの組み込み手法を精査することで解決を行った。また，電子線照射による観察部からの電解液の消失を軽減する電子顕微鏡観察条件の精査を行い観察手法を確立ことができた。
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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
本年度はin-situ観察に向けた試料の基本特性の解明と観察条件の最適化を行う計画であったが，EDLCについては多孔性カーボン電極の細孔構造 (表面官能基については今年度導入した高精度ガス吸着測定システムにて評価中) と容量の関係を明らかにしており，LIBについてはex-situによる電極活物質の構造変化の追跡から構造変化過程の知見を得ることができた。また，in-situ観察条件についても試料固定から観察までおおむね達成しており，順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
実際に充放電測定を電子顕微鏡観察下で行い，電極活物質の構造変化の追跡を行う。また，カーボン空間内の活物質の電気化学反応及びEDLC電極材料の二重層形成過程の追跡へと発展させる。
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