2018 Fiscal Year Research-status Report
リチウム吸蔵能の高いシリコンナノクラスター担持多孔質炭素小球体負極材料の作製
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16K06734
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| Research Institution | Gunma National College of Technology |
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Principal Investigator |
太田 道也 群馬工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (40168951)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | リチウムイオン二次電池 / シリコンナノ粒子 / 有機シラン / 熱分解反応 / シリコン酸化被膜 / 炭素小球体 / コイン型セル / 充放電特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）研究の具体的内容：平成30年度の研究計画は、(1)コインセルの繰返し充放電処理後に、Si 担持炭素小球体の構造変化や比容量等を検討することと、(2)異なる電流密度におけるコインセルの充電挙動等の電池特性を調べて、総括的観点からSiナノ粒子の効果を評価することであった。しかし、平成29年度にSiナノ粒子担持炭素負極を用いて予備的に作製したコイン型セルの充放電特性を測定したところ、Siナノ粒子表面にSi-O結合の存在が懸念される結果が得られた。そこで、平成30年度は、まず、Si‐O 結合の生成を抑制する条件を調べた後に、放電容量に及ぼすSiナノ粒子の効果を評価することにした。具体的内容は以下の通りである。
(i) Si-O結合の生成を抑制するために、昨年度の調製条件を踏まえて有機シラン担持膨潤炭素粒子表面を芳香族熱硬化性樹脂で被覆した後、熱分解処理を行うことを検討した。また、樹脂被覆以外にマグネシウム微粉末を共存させて有機シランを熱分解処理することについても検討した。(ii)得られたSiナノ粒子担持炭素小球体について、透過型電子顕微鏡や走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いて元素分析や各元素の分散性を調べることにした。また、X線光電子分光法（XPS）測定を行うことで表面層から数nmの深さまでのSiの分布状況とSi-O結合の存在を調べることにした。 (iii)コイン型セルを作製して充放電特性を調べるとともに、サイクル特性やレート特性を調べて放電容量に及ぼすSiナノ粒子の効果を評価することにした。
2)意義と重要性：計画通りの結果が得られれば、有機シランの熱分解法で粒径が小さくて表面にSi-O結合の生成が抑制されたSiナノ粒子の調製が可能であることと、電極としては高い放電容量でサイクル特性やレート特性に特徴的な高い電池特性が測定されると期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
平成３０年度に入り、Si-O結合の生成反応を抑制する方法として、平成２９年度Siナノ粒子の生成が最も顕著であったヘキサフェニルジシランをSi源とし、熱分解処理工程において還元雰囲気で進行する方法を検討した。具体的には、電極には適さないものの炭素化過程が良く研究されているフェノール樹脂球を用いて膨潤処理炭素粉末を調製した後、ヘキサフェニルジシランを担持した。担持後には、その炭素粉末表面を芳香族系熱硬化性樹脂で被覆して加熱分解処理を行い、還元雰囲気下で有機シランの熱分解反応を進めることにした。その結果、電極には適さないフェノール樹脂由来炭であるにもかかわらずSi担持によって放電容量が黒鉛負極の場合よりも大きな値を示すことがわかった。また、不可逆容量の軽減にも効果が観られた。
一方、樹脂被覆以外にマグネシウム微粉末をケイ素酸化物の還元剤として共存させて有機シランを熱分解処理することについても検討し、かつコイン型セルの充放電特性に関するする実験の途中にあった。しかしながら、平成30年度に国立高専機構に申請した高専専攻科生の教育に関する連携教育プログラムのワーキンググループ取りまとめ役を務めていたところ採択に至った。その結果、平成30年12月末から2月にかけて教育プログラム実施に向けた連携大学との詳細な検討作業に大幅に時間を要することになり、本課題研究の遂行に割く時間が大幅に減少した。その結果、当初計画の想定以上に進捗が遅れており、研究遂行に割く時間が不足し、補助事業期間延長申請するに至った。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度の11月までに表面を炭素膜で被覆したSiナノ粒子担持炭素小球体の調製条件を絞り込むことができたことから、炭素膜の厚さなどを再度確認した上でSiナノ粒子の表面にSi-O結合の生成が認められないかどうかを透過型電子顕微鏡や電子線回折、波長分散型蛍光X線分析、X線光電分光等によって調べる。また、コイン型セルを組み、電気化学測定装置で充放電特性の測定やサイクル特性、レート特性に関する測定を行い、電池としてSiナノ粒子が及ぼす効果について検討する。
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| Causes of Carryover |
Siナノ粒子表面に生成するSi-O結合反応の抑制を目指した研究を進めていたが、同時に、本校が平成30年度に国立高専機構に申請した高専専攻科生の教育に関する連携教育プログラムのワーキンググループ取りまとめ役を務めていたところ採択に至った。その結果、平成30年12月末から2月にかけて教育プログラム実施に向けた連携大学との詳細な検討作業に大幅に時間を要することになり、本課題研究の遂行に割く時間が大幅に減少した。その結果、当初計画の想定以上に進捗が遅れており、研究遂行に割く時間が不足し、補助事業期間延長申請するに至った。そのために、次年度使用額は生じた。
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