2018 Fiscal Year Annual Research Report
Laser irradiation-induced micro pillar generation and its application to the fabrication of next-generation Li-ion battery
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17K18833
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
閻 紀旺 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40323042)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2019-03-31
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| Keywords | レーザ照射 / マイクロピラー / シリコン / リチウムイオン電池 / 電池負極 / 微細構造 / ナノ粒子 / 粉末 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在，電子機器の消費電力の増加やスマートハウス，電気自動車などへの応用に伴い，リチウムイオン電池の高容量化が求められている．そのため，従来の炭素電極の代わりに，高容量化の見込めるシリコン（Si）電極の研究が世界中で進められている．しかし，Si負極の課題として，充電時の体積膨張が挙げられる．これにより，充放電を繰り返すと集電体上のSi膜が剥離・崩壊してしまう．そのため，炭素負極に比べSi負極は電池自体の劣化が早くなり，電池としての寿命が短くなってしまうという問題がある．本研究では，集電体としての銅箔の表面に厚さ数十ミクロンの廃Si粉末を塗布し，ナノ秒パルスレーザ照射を用いて廃Si粉末を溶融させ，そして材料の自己組織化によって規則的なマイクロピラーを高速で生成させる．Siピラーの配列や分布密度などを制御することで優れた機械的・電気的特性を有するシート電極を創製し，これまでになかった画期的なLiイオン電池の製作を試みる．H30年度では，これまでの基礎研究の成果を踏まえてSiマイクロピラー生成機構の解明とマイクロピラーの構造分析および充放電特性の評価を行った．具体的にレーザ照射で生成したSiマイクロピラーを集束イオンビームで切断し，透過電子顕微鏡により断面観察を行い，ナノ粒子の堆積構造やCu/Si界面結合状態を調べるとともに，制限視野電子線回折を用いて各領域のSiの結晶構造を確認した．さらに，試作したSiマイクロピラーシートをLiイオン電池負極として用いた際の導電性やイオン吸収性などの電気的特性を評価し，充放電におけるマイクロピラーの膨張変形と破壊挙動を観察することによって、本提案で製作した電池負極の特徴を明らかにした．
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