Kinetic analysis and design of porous electrodes with single particle measurement techniques

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H02075
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 棟方 裕一 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 助教 (00457821)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 蓄電池 / 単粒子評価 / 応力測定

Outline of Annual Research Achievements

エネルギー密度と出力密度に優れ、かつ高い安全性を有する次世代リチウム二次電池の実現には、これまでの平衡論を主体とした検討に速度論的な議論を加えた高精度な電極設計が求められる。本研究では、長寿命で安全な電池を設計する上で最も重要な速度論的パラメータの一つである充放電に伴う電極活物質の膨張収縮応力を明らかにすることを目的とした。本年度は測定系の確立を主な目標とし、電極活物質粒子1つを対象に充電や放電に伴う膨張収縮応力を計測できる集電プローブを開発した。負極活物質の一つであるシリコンを対象に検討を重ね、計測システムとしての基本骨格を確立した。現在、応力計測の応答性を高め、高電流密度での評価を含めたより精密な測定を可能にするための集電プローブの改良に取り組んでいる。計算機シミュレーションから既に構築すべき集電プローブの形を明らかにできているため、改良を円滑に進められる状況にある。また、本集電プローブの粒子を挟持できる特徴を活かし、電気化学的な評価を終えた電極活物質粒子を洗浄・乾燥し、他の分析へ適用する検討も実施した。電気化学測定後に走査型電子顕微鏡観察を実施するプロトコルについては既に確立できており、今後はラマン分光測定など別の分析に関しても連続して実施できるよう検討を進める。ただし、充電された試料に関しては不活性雰囲気下での取り扱いが必要なため、試料搬送用のトランスファーベッセルを開発する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ほぼ当初の計画通り研究が進捗しており問題はない。速度論的な議論をより詳しく行うためには、充放電に伴う電極活物質の膨張収縮応力をより精密に測定することが求められる。測定プローブを加工することで応答性を向上できることを計算機シミュレーションから明らかにできており、今後はその計算結果に基づいた改良を実施する。

Strategy for Future Research Activity

開発したフォースセンサを備えたピンセット型集電プローブを用い、充放電時に電極活物質が膨張収縮して発生する応力をより精密に測定できるよう計測システムへ改良を加える。今後は特に電流密度を変化させた際に応力発生がどのように追随するかを明らかにし、より速度論的な観点から電極活物質の変化を考察する。シリコン系負極だけでなく高容量の正極材料も測定対象とする。また、電気化学計測の結果をより深く議論するために、試験後の粒子を走査型電子顕微鏡観察に加え、ラマン分光測定で連続して分析するプロトコルを確立する。ただし、高感度電気化学計測を行うための電気化学アナライザーの導入が優先であるため、本連続分析に必要なトランスファーベッセルの開発については可能な範囲で実施する。