2020 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of charge-discharge process of active material/nanoporous carbon composites and its apprication to all-solid-state battery
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18H02060
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
森口 勇 長崎大学, 工学研究科, 教授 (40210158)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瓜田 幸幾 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (40567666)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノ多孔カーボン / Liイオン電池 / 全固体電池 / 酸化スズ / 拘束圧 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，カーボンナノ空間におけるコンバージョン反応や合金・脱合金化反応の反応過程を解明し，構造最適化を図ることにより，まずは有機電解液系でのLiイオン電池電極の充放電機能向上を行う，さらに，全固体電池系の応用を行い，全固体電池電極材料としての可能性や特長の解明を目指している。
これまでに酸化スズやスズ，リンを活物質とした活物質/ナノ多孔カーボン複合体電極について構造と充放電特性の相関性を調べ，性能向上のためのナノ複合構造の最適化を図ってきた。特に，酸化スズ/ナノ多孔カーボン複合系電極について酸化スズ担持量や細孔空間充填室等を制御した複合体構造の最適化を行い，その上で有機電解液系と全固体電池系での充放電特性を比較評価したところ，全固体電池系の方がサイクル安定性に優れ，高容量で，かつレート特性に優れた充放電特性を発現できることを見出した。また，ナノ細孔および複合構造を透過型電子顕微鏡にて観察し，さらに電子エネルギー損失分光法（EELS）により固体電解質相/活物質相界面近傍におけるLiイオンの分布状態の分析を行い，Liイオン挿入初期過程における固体電解質界面から活物質相へ，さらにはカーボン細孔内部へのLiイオンの移動を捉えることに成功した。
一方，全固体電池系において，酸化スズ/ナノ多孔カーボン複合体と固体電解質の混合系からなる電極組成や拘束圧条件と充放電特性の関連性についても評価を行った。酸化スズと導電助剤（アセチレンブラック）の単純混合系では，高い拘束圧条件は容量やクーロン効率が低下するのに対し，酸化スズ/ナノ多孔カーボン複合体系ではLiイオンの反応に伴う体積膨張に見合う細孔空間体積を電極材料中に確保することにより，ある程度以上の拘束圧条件で高い容量とクーロン効率を発現できることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題研究期間の後半で予定していた全固体電池電極材料としての充放電特性の評価から構造最適化，反応過程の追跡まですでに進行しており，当初計画の予定以上に研究が進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続いて電極活物質材料および電極組成，拘束圧等条件の最適化を図り，また，全固体電池電極中のLiイオンの拡散過程を電子顕微鏡観察やEELS分析等により明らかにする。さらに，プロトタイプセルでの電池特性評価を行い，高エネルギー密度化や高サイクル安定性実現の可能性を明らかにし，本研究を総括する。
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