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2023 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, 主幹研究員 (30457824)
後藤 和馬  北陸先端科学技術大学院大学, ナノマテリアルテクノロジーセンター, 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 / コンポジット / ケイ化物 / 多相化 / 多元化
Outline of Annual Research Achievements

LaSi2/Siコンポジット電極は優れた充放電サイクル寿命を示すが,それでも1200サイクル程で劣化してしまう.充放電前ではLaSi2マトリックス相中にSi相が微分散した組織が形成されていたことから,弾性的なLaSi2がSiからの応力を緩和し電極崩壊を抑制することは確かであると考えられる.しかしながら,充放電後には両相の位置関係が逆転するほど激しい組織変化が起きていることがわかった.そこで,LaSi2/Si中に剛性的なケイ化物(CrSi2)を予め添加しておけば性能をさらに改善できると着想し実施したところ,予想通り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ることを見出してきた.
昨年度までに剛性の指標であるビッカース硬度の異なるケイ化物を用いてサイクル試験を実施した結果,LaSi2/NbSi2/Si電極が最も長い寿命を示すことを見出してきた.今年度は応力緩和機能の高い弾性的なケイ化物の方の種類を変えてサイクル寿命を調べた (剛性的なケイ化物はCrSi2に固定).その結果,Cu3Si, FeSi2, NiSi2, LaSi2, CeSi2およびSmSi2の順に寿命が伸長した.ただし,弾性の指標である押し込み仕事比率と性能との間に相関性を確認できなかったことから,他の機械的性質が寄与していると推察される.
これまでにCr, V, MoおよびSiからなる四元系ケイ化物と単体Siとのコンポジット電極が優れたサイクル寿命を示すことを見出してきた.今年度はこの性能向上メカニズムを調べた.その結果,多元化によりビッカース硬度が向上しており,サイクル経過にともないケイ化物相が微粉化していないことがわかった.このことから多元化を通して活物質相の弾性と剛性の釣り合いを適度に調節することがサイクル寿命の向上には肝要であるというケイ素電極開発の重要な指針が得られた.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度は主に弾性的な機械的性質有するケイ化物の種類を変えることで機能の異なる2種類のケイ化物とSiからなるコンポジット電極の負極特性を調べたが,これ以外にも2種類のケイ化物の比率およびケイ化物と単体のSiとの比率を変えた場合の負極特性の違いについても調べてきた.また,実用化を強く意識して,より大量生産に適した冶金的手法により合成した試料を用いて負極特性を評価してきた.さらに,Si系電極の反応挙動解析も取り組んでおり,得られた知見を材料創製にフィードバックし負極特性の向上を図った.
研究を進める中で若干の計画変更があったものの,当初の予定通り試料合成やメカニズム解明が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

機能の異なる2種類のケイ化物とSiからなるコンポジット電極の負極特性に関して,サイクル寿命と押し込み仕事比率との間に相関性が認められなかった.今後は原子間力顕微鏡を用いてナノサイズレベルで機械的性質を調べていく予定である.また,これまでにコンポジット中のケイ化物はLi拡散経路として機能するが容量はほとんど担わないことを充放電カーブや第一原理計算などの結果に基づいて報告してきた.この確証を得るためにLi吸蔵にともなう機械的性質の変化を原子間力顕微鏡により追跡する予定である.
現行の黒鉛負極には六フッ化リン酸リチウムを溶解させたエチレンカーボネート系電解液が用いられており,プロピレンカーボネート系電解液の適用は難しい.他方,Si系負極に最適な電解液は不明である.そこで,容量可逆率,温度特性,充放電サイクルにともなうSi層中のLi濃度分布や電極の厚さの変化などを詳細に調べSi系負極に最適な電解液を明らかにする予定である.

  • Research Products

    (16 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (13 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Electrochemical Anode Behavior of α-FeSi2; Co-Sintered with Solid Electrolyte2024

    • Author(s)
      KAWANO Yoichiro、KATO Akihiko、DOMI Yasuhiro、USUI Hiroyuki、SAKAGUCHI Hiroki
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 92 Pages: 017004~017004

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.23-00112

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 次世代アルカリ金属イオン電池用金属・化合物系負極材料の創製2024

    • Author(s)
      〇坂口裕樹
    • Organizer
      電気化学会第91回大会
    • Invited
  • [Presentation] 希土類シリサイドからなる電極のリチウム吸蔵-放出特性2023

    • Author(s)
      〇道見康弘,薄井洋行,岡阪拓親,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      第39回希土類討論会
  • [Presentation] TiSi2/Si負極と硫化物系電解質を用いた全固体Li二次電池の構築2023

    • Author(s)
      〇伊藤悠二,道見康弘,薄井洋行,高橋司,坂口裕樹
    • Organizer
      第12回JACI/GSCシンポジウム
  • [Presentation] 機能の異なる二種のケイ化物とSiを含有する電極のLi二次電池負極特性2023

    • Author(s)
      〇日野望絵瑠,道見康弘,薄井洋行,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      第12回JACI/GSCシンポジウム
  • [Presentation] 軟X線発光分光法を用いたリチウム二次電池Si系負極内のLi濃度分布解析2023

    • Author(s)
      〇湯浅言子,道見康弘,薄井洋行,坂口裕樹
    • Organizer
      2023年電気化学会秋季大会
  • [Presentation] 機能の異なる二種の金属ケイ化物を含むSi系複合電極のリチウム二次電池負極特性2023

    • Author(s)
      〇山家拓弥,道見康弘,薄井洋行,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      2023年日本化学会中国四国支部大会
  • [Presentation] 金属シリサイドの多元化によるLiイオン電池用Si系負極の特性改善2023

    • Author(s)
      〇石田裕司,道見康弘,薄井洋行,木村優太,坂口裕樹
    • Organizer
      第64回電池討論会
  • [Presentation] TiSi2/Si負極と硫化物系電解質からなる全固体Li二次電池の構築2023

    • Author(s)
      〇伊藤悠二,道見康弘,薄井洋行,高橋司,坂口裕樹
    • Organizer
      第64回電池討論会
  • [Presentation] 金属ケイ化物/Siコンポジット電極のLi吸蔵-放出反応挙動解析2023

    • Author(s)
      〇奥村諒,道見康弘,薄井洋行,星健夫,坂口裕樹
    • Organizer
      第64回電池討論会
  • [Presentation] 機能の異なる二種類のシリサイドとSiからなる電極のLi二次電池負極特性2023

    • Author(s)
      〇日野望絵瑠,道見康弘,薄井洋行,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      第64回電池討論会
  • [Presentation] 機能の異なる二種の金属ケイ化物を含むSi系複合電極のリチウム二次電池負極特性2023

    • Author(s)
      〇山家拓弥,道見康弘,薄井洋行,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      日本化学会中国四国支部 鳥取地区化学講演会
  • [Presentation] 機能の異なる二種の金属ケイ化物を含むSi系電極のリチウム二次電池負極特性2023

    • Author(s)
      〇田中隆登,道見康弘,薄井洋行,岡阪拓親,西川慶,坂口裕樹
    • Organizer
      2023年度第3回関西電気化学研究会
  • [Presentation] 電解液への被膜形成添加剤の適用がLi二次電池用Si負極の反応挙動に与える影響2023

    • Author(s)
      〇湯浅言子,道見康弘,薄井洋行,坂口裕樹
    • Organizer
      2023年度第3回関西電気化学研究会
  • [Remarks] 坂口研究室

    • URL

      https://sakalab.sakura.ne.jp/index.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] リチウムイオン電池負極用Si合金2023

    • Inventor(s)
      木村優太,坂口裕樹,薄井洋行,道見康弘
    • Industrial Property Rights Holder
      木村優太,坂口裕樹,薄井洋行,道見康弘
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2023-183413

URL: 

Published: 2024-12-25  

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