2019 Fiscal Year Annual Research Report
大容量蓄電池の実現を目指した電極界面構造の人工操作とイオン伝導特性の最適化
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19H02609
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
春田 正和 同志社大学, 研究開発推進機構, 准教授 (90580605)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 蓄電池 / シリコン負極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代リチウムイオン電池用の負極材料として着目されているのが、従来の黒鉛負極の約10倍の理論容量を有するシリコンである。負極表面では電解液が還元分解され、その分解生成物が堆積することにより表面被膜が形成される。この表面被膜は更なる電解液分解を防ぐ不働態被膜として働き、リチウムイオン電池の動作において必要不可欠である。一方で、過剰な電解液の分解は電池内部のリチウムイオンを消費し、電池寿命を縮めてしまう。特にSi負極では安定な被膜が形成し難く、継続的に電解液が分解され、その分解生成物が電極上に分厚く堆積し特性劣化を招く。
表面被膜はリチウムイオン電池動作の要であるものの、電池特性を決定付ける被膜成分は何なのかという問いに対して従来の分析手法では明確な解を与えることが出来ていなかった。そのため、被膜/電解液界面におけるイオン伝導機構の理解が進まず、特性改善（安定な被膜の形成）に向けた指針を提示することも出来ていないのが現状である。
そこで、本研究では以下を目的として研究に取り組んだ。①電解液分解の抑制に有効な被膜組成を明らかにする。②最適組成の人工被膜形成によりSi負極の寿命を向上させる。
Si合材電極作製時のスラリーに水分散のフッ素系ポリマーを添加することにより、Si負極の充放電サイクル寿命が改善し、電極膨張も抑制できることを見出した。添加したフッ素系ポリマー由来の被膜がSi表面に形成され、電解液分解を抑制したと考えられる。フッ素系ポリマー添加量に依存してSi負極の寿命特性が変化することが明らかになり、添加量の最適化を行った。前述フッ素系ポリマーと構造の似た別のフッ素系ポリマーにおいても、Si負極の特性向上に有効であることも明らかにした。さらに、フッ素系ポリマーを被覆したSi薄膜のX線光電子分光分析により、電解液分解に有効な被膜組成について調査を行った。
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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
当初の研究計画では2020年度実施予定であったが、2019年度においてSi負極上への有機被膜形成による電解液分解抑制に取り組んだ。
フッ素系ポリマーをSi合材電極作製時のスラリーに添加した。このフッ素系ポリマー由来の被膜がSi上に形成され、電解液分解を抑制し、Si負極の寿命特性を向上させることを明らかにした。また、X線光電子分光分析により、フッ素系ポリマー被覆によりSi負極上に形成される被膜の組成を調べた。さらに、前述のフッ素系ポリマーと類似構造を持つポリマーの展開によってもSi負極の特性が改善することを明らかにした。また、フッ素系ポリマー添加による電解液分解を抑制できる電解液系についても調査した。
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| Strategy for Future Research Activity |
シリコン負極のサイクル寿命を向上させるために、当初の予定では2020年度に、有機被膜を形成することにより電解液分解を抑制することを計画していた。しかし、2019年度において当該内容の実施を行い、フッ素系ポリマーの被覆が電解液分解の抑制に効果的であることを明らかにした。そこで本年度において、無機被膜形成によるシリコン負極の特性改善を行う。
(1)フッ化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウムなどを被膜材料として検討し、Si薄膜上にこれら単体、もしくは混合物・積層物を形成し、電気化学特性に与える影響を調べる。
(2)(1)で得られた結果をもとに、最適な被膜組成を検討するとともに、被膜組成と被膜/シリコン電極界面におけるイオン伝導特性の関係を調査する。
(3)上記、無機被膜/シリコン界面におけるイオン伝導の知見をもとに、固体電解質/シリコン電極のイオン伝導特性改善に向けた展開を図る。
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