2020 Fiscal Year Research-status Report
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19K05685
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| Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
山本 真理 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (20416332)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
加藤 敦隆 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究員 (40826161)
高橋 雅也 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究フェロー (90416363)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | シリコン / 全固体電池 / 負極 / 多孔質 / 硫化物系固体電解質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
硫化物系固体電解質を用いた全固体電池は、高い安全性・高出力等が期待され、電気自動車用の大型蓄電池の最有力候補である。実用化のためには高容量負極の開発、及び電池を大型化するための電池拘束圧の低減が求められる。しかし、高容量負極であるシリコンの大きな体積変化に起因した低拘束圧下でのサイクル劣化、及び急速充電によるデンドライト析出など課題が多い。本研究は、硫化物系全固体電池に適した形態として、空隙による応力緩和で拘束圧の低減が期待でき、Li拡散・電子伝導経路が連続する多孔質シリコン構造体を創製することを目的とする。
本年度は、シリコン構造体が連続的な形態となるようシリカ不織布をエレクトロスピニング法により作製し、これをマグネシウム熱還元することでポーラスなシリコンナノファイバーを創製し、電気化学的評価を行った。
エレクトロスピニングで電圧・吐出速度を制御することにより直径1μm以下のナノファイバーを得た。これを550℃、4h.脱水縮合することでシリカナノファイバーを作製した。マグネシウム熱還元法の条件検討を行うため、入手したシリカペーパー（ファイバー径200 nm～5μm）を用い、Mg粉末と混合して真空雰囲気下で650℃、30分間熱処理を行った(SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO)。SEM観察よりファイバー径が増加し、クラックが見られたが、連続的な構造体を保持していた。HCl 処理によりMgOを除去した後は、多孔質化し、一部ファイバー状の形態が残っていた。XRD より、生成したSiには、わずかにMgOとMg2SiO4が含まれていた。MgOの溶出不足、及び、系中でSiO2とMgOの反応によるMg2SiO4の副生が原因と考えられ、条件検討により改善する。得られたシリコンファイバーを硫化物系全固体電池の負極材料として評価したところ、529 mAh g-1の容量が得られた。これはバルクSi粉末の初回容量(2673 mAh g-1)と比較して低容量であり、副生成物やSiOx被膜が原因と考えられた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
エレクトロスピニングによりファイバー径の制御されたシリカナノファイバーを合成したこと、及びMg熱還元で多孔質シリコンが形成されたことから、今後、形態制御されたシリカを多孔質シリコンに変換する目途が出来たため。
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| Strategy for Future Research Activity |
シリカナノファイバーのMg熱還元により、その形状を保持したまま多孔質シリコンナノファイバーに変換する条件検討を行う。また、MgOの溶出により形成される孔径とは異なる孔径を持つシリカ構造体をMg熱還元することで、孔径に対する影響を調査する。
断面・表面のFE-SEM観察や細孔分布測定により微細構造を調べる。また、ラマン分光分析、粉末X線回折、XPSによりSiの同定を行う。さらに、硫化物系全固体電池の負極に用いて、充放電測定やインピーダンス測定により性能評価を行う。２次元及び３次元的にネットワークを持つ多孔質シリコン構造体は、シリコン粉末を用いた電極複合体と比較して、連続体であることから低拘束圧でも良好な充放電特性や急速充放電が期待できる。そこで、拘束圧を変化させてサイクル試験、およびレート試験を行い、低拘束圧および急速充放電を実現する多孔質シリコンの形態を抽出し、形態の改良を行う。
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| Causes of Carryover |
高周波数まで測定可能な交流インピーダンス測定装置の購入を計画していたが、本年度分では足りず、次年度予算と合算して購入することにしたため。
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Research Products
(4 results)
