Development of novel carbides anode for next-generation batteries with high-cost performance

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05651
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 喜多條 鮎子 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (50446861)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: リチウムイオン二次電池 / 負極材料

Outline of Annual Research Achievements

Fe3Cカーバイト負極開発に向けた検討をすすめており、今年度は、前駆体として、Fe2O3の微粒子化を行った。出発物質として鉄系材料として安価な塩化鉄から水酸化鉄微粒子の合成を行い、これを焼成することで、酸化鉄微粒子の合成に成功した。これを含有炭素量の異なる有機化合物とともに熱処理をすることで、Fe3C/C材料の合成を試みた。その結果、含有炭素量が少なく、また水素や酸素を含む官能基の少ない有機化合物では金属鉄の生成が主であり、Fe3Cの合成ができないことが明らかとなった。一方、イオン交換樹脂のように高分子かつ、水素、酸素、窒素を含む官能基の多い材料ではFe3Cの生成が認められた。現段階では、金属鉄ではなく、Fe3Cが生成するプロセス因子が決定できておらず、炭素数・水素・酸素といった成分が生成プロセスに影響を与えるのかについて検討を進める必要があることを見出した。また、電池評価については、市販のFe3Cにて検討を進めているが、市販のFe3Cは結晶性が低いことがわかっている。この結晶性を向上させた場合に若干可逆容量が減少する傾向が見出された。そのため、非晶質成分とLiとの間での電池反応が進んでいる可能性が考えられる。そのため、Fe3Cの合成を確立させ、結晶性と電池特性の影響についての関連を見出す必要があると考えている。
加えて、今年度は新たな電池系として、Liイオン電池だけでなく、Naイオン電池の負極材料としての利用が可能であるのかについて、検討を行った。その結果、Liイオン電池での特性よりもやや劣るものの、十分な負極特性を持つ可能性が見出された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Fe3Cの電気化学特性に結晶性が影響することを新たに見出しており、当初の目的とした研究の一つの指針を見出したと考えており、順調に進呈しているものと考えている。

Strategy for Future Research Activity

昨年度は、Fe3Cの合成課程において、熱処理時に添加する有機化合物の成分がFe3Cと金属鉄の組成に影響を与える可能性を見出した。今年度は、ポリエチレングリコールのように様々な分子量を持つ物質を用いて、炭素数・水素数・酸素数の関連を明らかとしていく。また、さらにFe3Cの微粒子化を狙うため、イオン交換樹脂へのFeイオンの吸着を行い、これを熱処理することによって、微細なFe3Cの生成が可能になると期待している。
また、電気化学特性には、Fe3Cの結晶性が大きく寄与している可能性も見出しているため、今年度は、市販の材料について熱処理などを行い、結晶性を変化させた試料についての電気化学特性評価を進めていく。