2018 Fiscal Year Annual Research Report
Atomic-scale characterization on lithium-ion battery electrodes by using vacuum electrochemical AFM
| Project/Area Number |
17H02787
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
一井 崇 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30447908)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宇都宮 徹 京都大学, 工学研究科, 助教 (70734979)
橘田 晃宜 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (90586546)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 走査プローブ顕微鏡 / リチウムイオン電池 / 電気化学 / イオン液体 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムイオン蓄電池 (LIB) は近年幅広く用いられているが、そのさらなる用途の広がりとともに、高容量化・サイクル特性の向上・大電流化などの性能向上への要望は尽きない。また、安全性の向上も重要な課題である。イオン液体は高い電気化学安定性と難揮発性・難燃性という特徴を有し、新たなLIB電解液として期待されている。一方、イオン液体は難揮発性であるため、真空中で扱いが可能であるという特徴がある。われわれは、この特徴を生かした真空電気化学原子間力顕微鏡 (AFM) を独自に開発してきた。本課題では、これをLIB電極材料に適用し、その電解液/電極界面の高分解能構造分析により、電池開発への新たな知見を得ることを目的としている。
本AFMの大きな特徴の一つは，一般に広く用いられているSi製カンチレバーではなく、音叉型水晶振動子センサを用いる点にある。これにより、比較的高粘度なイオン液体中においても原子分解能分析が可能である。一方で、本センサによる局所物性分布分析手法について，研究が進んでいなかった。そこで平成30年度はこの問題解決のため、従来の１次共振周波数だけでなく、２次共振周波数を同時に用いるBimodal AFMの開発に取り組んだ。その結果、水晶振動子に取り付けた探針を1 mm以上に長くすることにより、これまで不可能であったvertical forceとlateral forceの同時計測が可能であることが判明した。この結果は電池材料の分析にも大きく貢献すると期待できる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
音叉型水晶振動子センサは高粘度液体中での原子分解能観察が可能であるが、そのセンサの構造上、vertical forceのみしか検出できないという大きな問題があった。また、別グループからlateral force検出可能なセンサは提案されていたが、それではvertical forceは検出できない。しかし，今回我々が開発した新技術により、これらの同時計測が可能になった。Lateral force計測は表面の局所摩擦計測などに用いることが可能であり、Liイオン脱挿入に伴う電極材料の構造・物性評価にも有用であると期待される。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度、30年度の２年間の研究により、AFM技術開発についてはほぼ完成したと言える。平成31年度はこの技術を基に、実電池材料の分析に注力する。これまでの成果により、負極材料であるチタン酸リチウム (LTO) についてはLiイオン挿入過程について多くの知見が得られてきている。これについて、脱離過程についても原子レベルで評価を行い、サイクル特性の評価を行う。また、正極材料であるマンガン酸リチウム (LMO) についても、安定した試料調製の目処がたった。これについても分析を進める。
|
