2019 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of silicon particles applicable for all-solid-state batteries
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16K05949
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| Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
山本 真理 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (20416332)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 雅也 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 総括研究員 (90416363)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | シリコン / 全固体電池 / 負極 / 硫化物系固体電解質 / クーロン効率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
全固体電池では充放電によるシリコンの体積膨張収縮で固体電解質層の割れやSi/SE層間剥離によるイオン・電子伝導経路の寸断が想定される。そこで、シリコンの嵩密度がリチウムの挿入脱離で変化しない構造体として、中空・ポーラス構造の形態が全固体電池に適すると着想し、全固体電池に最適な負極活物質の形態を創製することを目的とした。
ポーラスシリコン粒子は、ケイ化マグネシウムを大気酸化後に生成するシリコンから酸化マグネシウムを塩酸で溶出して作製した。得られた粉末がXRDよりシリコンであること、SEMやTEM観察より表面に直径100 nm程度の孔を有する多孔質粒子であり、数十nmのナノ粒子も存在することを確認した。このポーラスシリコン粒子を用い、電極複合体の作製条件（乳鉢混合・ボールミル混合）の検討、及び全固体電池の特性評価を行った。比較としてノンポーラスシリコン粒子は、乳鉢、及びボールミル混合のどちらも初回放電容量や初回クーロン効率は比較的高かったが、100サイクル目の容量維持率は20％以下であった。一方、ポーラスシリコンでは、乳鉢混合の場合、初回放電容量2300 mAh g-1、初回クーロン効率71%とノンポーラスシリコンよりも高く、100サイクル目の容量維持率は52%へ向上した。ボールミル混合では、初回放電容量と初回クーロン効率が低下したが、容量維持率は93%と大幅に改善した。ボールミル混合で初回クーロン効率が低下した理由として、ポーラスシリコンが固体電解質マトリックスに均一に分散したことによりシリコン/固体電解質界面の接触面積増加に伴い副反応が増加したことが原因と考えられる。この初回充放電における副反応は以降の充放電では起こらず、高い容量維持率を示す。このことから、多孔質化することで粒子内側への体積増加が起きることによりシリコン/活物質界面剥離が防止できることが示された。
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