• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2021 Fiscal Year Annual Research Report

ケイ素を用いた次世代リチウムイオン電池の創製

Research Project

Project/Area Number 20H00399
Research InstitutionTottori University

Principal Investigator

坂口 裕樹  鳥取大学, 工学研究科, 教授 (00202086)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 薄井 洋行  鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (60423240)
道見 康弘  鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (50576717)
西川 慶  国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主任研究員 (30457824)
後藤 和馬  岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (20385975)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Keywordsリチウム二次電池 / ケイ素系負極 / リンドープ / シリサイド / イオン液体 / 単粒子測定
Outline of Annual Research Achievements

Li吸蔵時にSiはある特定の方向,すなわち異方的に膨張することが知られている.異方的に膨張すると粒子内部の局所に応力が発生し電極崩壊の要因となってしまうため等方的な膨張が望まれる.しかしながら,膨張の異方性および等方性を定量的に評価した報告例は皆無であった.当該研究では1粒の粒子に対して充放電試験と光学顕微鏡観察を同時に行える単粒子測定システムに着目し,これを利用すれば膨張の異方性を定量化できると着想した.今年度はリン (P)をドープしたSiに関してドーピングが膨張の異方性・等方性に与える影響を調べた.その結果,PドープSiの方が等方的に膨張することが明らかとなった.
様々なニッケルケイ化物 (NiSi2, NiSi, Ni2SiおよびNi3Si)のLi吸蔵-放出特性を調べたところ,NiSi2>Ni3Si>NiSi=Ni2Siの順に可逆容量が高かった.この結果から,可逆容量の大きさは金属ケイ化物(シリサイド)中のSiの割合に依らないことがわかった.また,NiSi2電極の反応メカニズムを調べた.固体核磁気共鳴分光法の結果から少なくとも2つ以上のLi吸蔵サイトの存在が示唆され,第一原理計算からもこの可能性が妥当であることが明らかとなった.
昨年度までに機能の異なる二種のシリサイドとSiからなるコンポジット,すなわちCrSi2/LaSi2/Siを合成した.ここでCrSi2はSiからの応力に耐えられるような剛性的,LaSi2はSiからの応力を緩和する弾性的シリサイドである.この電極の負極特性を評価したところ,CrSi2/SiおよびLaSi2/Si電極よりも優れたサイクル寿命が得られた.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

PドープによりSi電極のサイクル寿命が向上するメカニズム解明については単粒子測定を実施しメカニズムの一部を解明できた.PドープSi以外にシリサイド単独粒子やシリサイド/Siコンポジットの単粒子測定も実施する予定であったが,測定に長時間かかるため他のサンプルまで測定出来なかった.
金属ケイ化物の反応挙動に関しても固体核磁気共鳴分光法に加えて第一原理計算を駆使して,ケイ化物内のLi吸蔵サイトを予測できた.薄膜X線回折によりケイ化物のバルクあるいは表面のみにLiが吸蔵されているか否かを解明しようと試みたが,粉末X線回折と同様の結果しか得られなかったため,電子エネルギー損失分光法に基づきより詳細な反応機構の解明に努める.
昨年度までに剛性的なCrSi2,弾性的なLaSi2および単体のSiをコンポジット化させたCrSi2/LaSi2/Siの合成に成功してきた.今年度はこの試料の負極特性を評価した.また,CrSi2以外の剛性的なシリサイドを用いたコンポジット試料の合成にも成功した.
新型コロナウィルスの影響のため共同研究先に出向いて測定することは難しい状況ではあったが,サンプルを送付して共同研究者に測定していただく形で研究を進めてきた.研究を進める中で若干の計画変更があったものの,当初の予定通り解析や試料合成に成功し全体として滞りなく進んでいるので「おおむね順調に進展している」と判断した.

Strategy for Future Research Activity

異方的に膨張することが確認できたSi単独粒子に対して透過型電子顕微鏡観察を行いSi粒子内のLi移動経路を可視化する.また,PドープによりLi拡散経路がいかに変化するかも調べる.
これまでにケイ化物内に少なくとも2つ以上のLi吸蔵サイトが存在することが示唆された.一方で,Li吸蔵にともなう価電子数の増加とNMRスペクトルにおけるピークシフトの方向が一致しなかった.そこで,2022度は計算化学に基づき,この要因を検証する.
CrSi2/LaSi2/SiコンポジットにおけるCrSi2を他の剛性的なシリサイドに,あるいはLaSi2を他の弾性的なシリサイドに変えて負極特性を調べる.二種類のシリサイドの重量比,シリサイドとSiとの重量比が負極特性におよぼす影響も調べる予定である.負極性能のみならず電子顕微鏡観察による組織変化の解明および軟X線発光分光法による反応部位の分布の把握にも努める.これまでにシリサイドおよびSi単独電極はそれぞれLiを吸蔵-放出するにも関わらず,これらをコンポジット化させた場合ではSiがほとんどの容量を担うことが明らかとなってきた.しかしながら,このメカニズムは未解明であるため2022年度はこれを調べる.

  • Research Products

    (46 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (12 results) (of which Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 4 results) Presentation (30 results) (of which Invited: 4 results) Book (1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Journal Article] Improved Cycling Performance of CrxV1-xSi2/Si Composite Electrode for Application to Lithium-Ion Battery Anodes2022

    • Author(s)
      Kimura Yuta、Domi Yasuhiro、Usui Hiroyuki、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      Journal of The Electrochemical Society

      Volume: 169 Pages: 010537~010537

    • DOI

      10.1149/1945-7111/ac4c78

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of Phase Change and Cu Doping on the Li Storage Properties of Rutile TiO<sub>2</sub>2022

    • Author(s)
      USUI Hiroyuki、DOMI Yasuhiro、NGUYEN Thi Hay、IZAKI Shin-ichiro、NISHIKAWA Kei、TANAKA Toshiyuki、SAKAGUCHI Hiroki
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 90 Pages: 037002~037002

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.22-00004

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Lithiation and Delithiation Properties of Si-based Electrodes Pre-coated with a Surface Film Derived from an Ionic-liquid Electrolyte2021

    • Author(s)
      Domi Yasuhiro、Usui Hiroyuki、Shindo Yoshiko、Ando Akihiro、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 50 Pages: 1041~1044

    • DOI

      10.1246/cl.210024

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Anode Properties of CrxV1-xSi2/Si Composite Electrodes for Lithium-Ion Batteries2021

    • Author(s)
      Kimura Yuta、Domi Yasuhiro、Usui Hiroyuki、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 6 Pages: 8862~8869

    • DOI

      10.1021/acsomega.0c05986

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spindle Single-Crystalline Rutile TiO2 with Excellent Cyclability for Low-Cost Li-Storage Materials2021

    • Author(s)
      Usui Hiroyuki、Domi Yasuhiro、Ohnishi Shinya、Takamori Noriyuki、Izaki Shin-ichiro、Morimoto Naoki、Yamanaka Kazumi、Kobayashi Keita、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      ACS Materials Letters

      Volume: 3 Pages: 372~378

    • DOI

      10.1021/acsmaterialslett.1c00135

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Regeneration of Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate by a Chlorophyll a-Coated TiO2 Film Electrode2021

    • Author(s)
      Usui Hiroyuki、Kojima Haruka、Domi Yasuhiro、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      ACS Applied Bio Materials

      Volume: 4 Pages: 5975~5980

    • DOI

      10.1021/acsabm.1c00649

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] α-Fe2O3 conversion anodes with improved Na-Storage properties by Sb addition2021

    • Author(s)
      Usui Hiroyuki、Domi Yasuhiro、Iwama Eiji、Kurokawa Haruki、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      Materials Chemistry and Physics

      Volume: 272 Pages: 125023~125023

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2021.125023

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Metallographic Structure Changes in Lanthanum Silicide/Silicon Nanocomposite Electrodes during Lithiation and Delithiation: Implications for Battery Applications2021

    • Author(s)
      Domi Yasuhiro、Usui Hiroyuki、Nishikawa Kei、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      ACS Applied Nano Materials

      Volume: 4 Pages: 8473~8481

    • DOI

      10.1021/acsanm.1c01765

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Material design based on impurity element doping for photoelectrochemical capacitor composite electrodes using metal oxides2021

    • Author(s)
      Usui Hiroyuki、Toriu Shota、Domi Yasuhiro、Tanaka Toshiyuki、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      Journal of Energy Storage

      Volume: 44 Pages: 103497~103497

    • DOI

      10.1016/j.est.2021.103497

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solid Solution Strengthening of Bismuth Antimonide as a Sodium Storage Material2021

    • Author(s)
      Usui Hiroyuki、Domi Yasuhiro、Itoda Yoshitatsu、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      Energy & Fuels

      Volume: 35 Pages: 18833~18838

    • DOI

      10.1021/acs.energyfuels.1c02987

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Improvement of the Anode Properties of Lithium-Ion Batteries for SiOx with a Third Element2021

    • Author(s)
      Hirono Tomoki、Usui Hiroyuki、Domi Yasuhiro、Irie Wataru、Sawada Toshiyuki、Sakaguchi Hiroki
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 7 Pages: 1223~1231

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c05689

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] <i>In situ</i> interferometry study of ionic mass transfer phenomenon during the electrodeposition and dissolution of Li metal in solvate ionic liquids2021

    • Author(s)
      Miki Akinori、Nishikawa Kei、Kamesui Go、Matsushima Hisayoshi、Ueda Mkito、Rosso Michel
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry A

      Volume: 9 Pages: 14700~14709

    • DOI

      10.1039/d1ta02666f

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 光電気化学キャパシタ用TiO2電極のクロロフィルa被覆による光電変換特性の改善2022

    • Author(s)
      〇小島晴香,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      2022年電気化学会第89回大会
  • [Presentation] ケイ素と機能の異なる二種類のシリサイドからなる電極のリチウム二次電池負極特性2022

    • Author(s)
      〇道見康弘,薄井洋行,岡阪拓親,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      2022年電気化学会第89回大会
  • [Presentation] ビスマス-アンチモン固溶体を用いた電極のナトリウムイオン電池負極特性2022

    • Author(s)
      〇薄井洋行,道見康弘,糸田惟竜,坂口裕樹
    • Organizer
      2022年電気化学会第89回大会
  • [Presentation] カリウム二次電池用希土類-アンチモン合金負極の創製2021

    • Author(s)
      〇栗谷和希,道見康弘,薄井洋行,坂口裕樹
    • Organizer
      第37回希土類討論会
  • [Presentation] 希土類シリサイドを用いた新規リチウム二次電池用Si系負極の創製2021

    • Author(s)
      〇道見康弘,薄井洋行,岡阪拓親,坂口裕樹
    • Organizer
      第37回希土類討論会
  • [Presentation] ナトリウムイオン電池用合金系負極材料の創製2021

    • Author(s)
      〇坂口裕樹
    • Organizer
      第22回化学電池材料研究会
    • Invited
  • [Presentation] 高容量ケイ素系材料の開発とケイ素に特化した分析法2021

    • Author(s)
      〇坂口裕樹
    • Organizer
      日本粉体工業技術協会 2021年度第1回電池製造技術分科会
    • Invited
  • [Presentation] リチウム二次電池用遷移金属ケイ化物電極のLi吸蔵-放出機構の解明2021

    • Author(s)
      〇安藤匠海,道見康弘,薄井洋行,後藤和馬,坂口裕樹
    • Organizer
      第10回JACI/GSCシンポジウム
  • [Presentation] 種々のビスマス合金からなる電極の電気化学的ナトリウム吸蔵-放出特性2021

    • Author(s)
      〇糸田惟竜,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      第10回JACI/GSCシンポジウム
  • [Presentation] TiO2/MnO2複合電極を用いた光電気化学キャパシタの構築2021

    • Author(s)
      〇薄井洋行
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
    • Invited
  • [Presentation] TiO2負極と酸化物系電解質を用いた全固体リチウム電池の構築2021

    • Author(s)
      〇伊﨑真一郎,薄井洋行,道見康弘,奈須滉,作田敦,林晃敏,坂口裕樹
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
  • [Presentation] 機能の異なる二種のシリサイドを含有するケイ素系電極のリチウム二次電池負極特性2021

    • Author(s)
      〇岡阪拓親,道見康弘,薄井洋行,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
  • [Presentation] 第三元素の添加がSiOx電極のLi吸蔵-放出特性に与える影響2021

    • Author(s)
      〇入江航,薄井洋行,道見康弘,廣野友紀,澤田 俊之,坂口裕樹
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
  • [Presentation] Fe2O3とSbからなるコンポジット電極の電気化学的ナトリウム吸蔵-放出特性2021

    • Author(s)
      〇岩間詠志,薄井洋行,道見康弘,黒川晴己,坂口裕樹
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
  • [Presentation] ビスマス-アンチモン固溶体からなる電極のナトリウムイオン電池負極特性2021

    • Author(s)
      〇糸田惟竜,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      第11回CSJ化学フェスタ
  • [Presentation] 光合成反応から着想を得たTiO2電極へのクロロフィルa被覆が光電変換特性に与える影響2021

    • Author(s)
      〇小島晴香,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      第11回CSJ化学フェスタ
  • [Presentation] Zn-doped TiO2とMnO2を用いて作製した複合電極の光電気化学キャパシタ特性2021

    • Author(s)
      〇薄井洋行,鳥生将太,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] SnO2被覆TiO2/MnO2複合電極の光電気化学キャパシタ特性2021

    • Author(s)
      〇鳥生将太,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] 種々のアンチモン合金からなる電極のカリウムイオン電池負極特性2021

    • Author(s)
      〇栗谷和希,道見康弘,薄井洋行,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] TiO2負極と酸化物系電解質からなる全固体リチウム電池の構築2021

    • Author(s)
      〇伊﨑真一郎,薄井洋行,道見康弘,奈須滉,作田敦,林晃敏,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] 種々の不純物元素をドープしたルチル型TiO2からなる電極のリチウム二次電池負極特性2021

    • Author(s)
      〇グエンテイハイ,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] SiOxへの第三元素の添加がリチウム二次電池負極特性に与える効果2021

    • Author(s)
      〇廣野友紀,薄井洋行,道見康弘,入江航,澤田俊之,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] リチウム二次電池負極用Si粒子における膨張の異方性とその抑制2021

    • Author(s)
      〇中野拓磨,道見康弘,薄井洋行,安藤明寛,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] リチウム二次電池用遷移金属ケイ化物電極の充放電メカニズムの解明2021

    • Author(s)
      〇安藤匠海,道見康弘,薄井洋行,後藤和馬,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      第62回電池討論会
  • [Presentation] ケイ素系負極活物質の創製とSiに特化した分析法2021

    • Author(s)
      〇道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      第409回電池技術委員会
    • Invited
  • [Presentation] Bi-Sb合金の固溶強化がナトリウムイオン電池負極性能におよぼす影響2021

    • Author(s)
      〇糸田惟竜,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      令和3年度 第3回関西電気化学研究会
  • [Presentation] Fe2O3とSbからなるコンポジット電極の電気化学的Na吸蔵ー放出特性2021

    • Author(s)
      〇岩間詠志,薄井洋行,道見康弘,黒川晴己,坂口裕樹
    • Organizer
      令和3年度 第3回関西電気化学研究会
  • [Presentation] 機能の異なる二種のシリサイドを含有するSi系電極のリチウム二次電池負極特性2021

    • Author(s)
      〇岡阪拓親,道見康弘,薄井洋行,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      令和3年度 第3回関西電気化学研究会
  • [Presentation] 第三元素の添加がSiOx電極のリチウム吸蔵ー放出特性に与える影響2021

    • Author(s)
      〇入江航,薄井洋行,道見康弘,廣野友紀,澤田 俊之,坂口裕樹
    • Organizer
      令和3年度 第3回関西電気化学研究会
  • [Presentation] クロロフィルaの被覆による光電気化学キャパシタ用TiO2電極の光電変換特性の改善2021

    • Author(s)
      〇小島晴香,薄井洋行,道見康弘,坂口裕樹
    • Organizer
      令和3年度 第3回関西電気化学研究会
  • [Book] モビリティ用電池の化学2022

    • Author(s)
      日本化学会
    • Total Pages
      200
    • Publisher
      化学同人
    • ISBN
      9784759814040
  • [Remarks] 坂口研究室

    • URL

      http://www.chem.tottori-u.ac.jp/~sakaguchi/index.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 複合粉末およびその製造方法、二次電池用負極並びに二次電池2022

    • Inventor(s)
      薄井洋行,坂口裕樹,道見康弘,小林稔季,王吉豊
    • Industrial Property Rights Holder
      薄井洋行,坂口裕樹,道見康弘,小林稔季,王吉豊
    • Industrial Property Rights Type
      意匠
    • Industrial Property Number
      特願2021-115983
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 酸化ケイ素系の負極材料2021

    • Inventor(s)
      廣野友紀,澤田俊之,坂口裕樹,薄井洋行,道見康弘
    • Industrial Property Rights Holder
      廣野友紀,澤田俊之,坂口裕樹,薄井洋行,道見康弘
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2022-28392

URL: 

Published: 2022-12-28  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi