2019 Fiscal Year Research-status Report
Electrochemical quartz crystal microbalance measurements of the electrode reactions in lithium secondary batteries
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19K15682
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
芹澤 信幸 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (60556885)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | EQCM / リチウムイオン電池 / 合剤電極 / 電極作製 / 共振 / 電極質量変化 / 粘性率 / その場測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム二次電池の充放電効率向上，劣化機構の解明や高速充放電の実現には充放電に伴う電極質量変化や電極近傍におけるリチウムイオンの輸送現象の観測が効果的である．本研究では，ナノグラムオーダーの電極質量変化と電極近傍の濃度勾配を反映した局所的な電解液物性（粘性率と密度）の変化を高感度かつその場（in-situ）観測できる電気化学水晶振動子マイクロバランス（EQCM）法を二次電池の電極反応に適用する．塗布電極の作製やセパレーター存在下での測定を通じて，実電池内部を模擬した環境での二次電池の詳細反応解析を試みる．
初年度は実用電池と同様に活物質，導電助剤および結着剤の合剤を塗布した水晶振動子電極の作製法確立を主に進めた．活物質には充放電時の結晶構造の変化が小さい無歪み材料であるチタン酸リチウムを選定し，アルミニウムコート水晶振動子上に塗布した．従来の電極作製方法では振動子電極が共振しないこともあったが，コート量，厚さ，プレス圧，合剤スラリーの混合比率などが共振に与える影響を検討して，適切な塗布条件を選択することで，安定に共振する振動子電極を再現良く作製することができた．
作製した塗布電極に種々の電解液を含浸することで，電解液の液物性を反映して振動子応答が変化することを見出した．この電極を用いてチタン酸リチウムの充放電を行うと，リチウムイオンの挿入・脱離反応に伴う電極質量変化に対応した共振周波数変化を観測するとともに，充放電反応中の液物性変化が特に大きくなる電解液中では電極近傍の局所リチウムイオン濃度変化を反映する共振抵抗変化が観測された．
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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
初年度にあたる2019年度は当初の予定通り，実用電池と同様に活物質，導電助剤および結着剤の合剤を塗布した水晶振動子電極の作製法に関する検討を重点的に進め，安定に共振する振動子電極を再現良く作製するための塗布条件を見出した．また，この電極を用いて充放電反応に伴う電極質量変化や電極近傍の局所リチウムイオン濃度変化を反映する振動子応答の観測にも成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通り，今後は2019年度で確立した塗布方法で水晶振動子電極を作製し，実用電池内部を模擬したセパレーター存在下での測定や高感度計測が期待される高調波（オーバートーン）での測定を通じて，二次電池の詳細反応解析を行う．さらに，2019年度に明らかにした電解液物性と振動子応答の相関係数に対して，電極作製条件が与える影響についても検討を続ける．
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| Causes of Carryover |
水晶振動子測定システムおよび水晶振動子電極が当初の想定よりも低い金額で調達することができたため．また，一部の電極材料について材料メーカーから無償提供されたため．
次年度使用額と合わせて，2020年度はセパレーター存在下での測定が可能な電気化学測定セルを調達する．
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Research Products
(1 results)
