2021 Fiscal Year Research-status Report

ナノ粒子膜の多孔構造制御による全固体電池用Si負極の高性能化

Research Project

Project/Area Number	20K05095
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	太田鳴海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 (40443171)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	全固体リチウム二次電池 / 高容量負極 / シリコンナノ粒子 / 多孔シリコン
Outline of Annual Research Achievements	全固体リチウム二次電池の高エネルギー密度化実現に資する高容量で長寿命なSi粒子負極電極体の開発を行う。研究代表者らはこれまで、比較的安価で電極の大面積化も可能なスプレー塗工法により作製した無孔Siナノ粒子の積層体が、全固体リチウム二次電池内で高い出力特性とサイクル安定性を示すことを明らかにしてきた。これは、充放電とともに繰り返される粒子の体積変化が隣接する粒子との融着を引き起こし、粒子積層体が蒸着膜のような連続体に形態変化することによる。従って、実用的な容量を示すまで分厚くしたSiナノ粒子積層体を長寿命化するには、ナノ多孔構造を導入したスパッタ膜で研究代表者らがこれまでに実証してきたように、積層体を構成するSi粒子にナノ多孔構造を導入することが効果的であることが予想される。そこで本研究では、まずナノ多孔Si粒子の合成に取り組み、スプレー塗工法による積層体を合成して電極特性評価をし、無孔粒子積層体との違いを見極めるとともに、その結果を踏まえて高容量で長寿命な全固体リチウム二次電池用Si粒子負極電極体の開発を行う。本年度は、初年度に取り組みを開始した金属還元法を用いた多孔SiO2粒子の還元において、多孔Si粒子の収率が高くなる実験条件の探索に引き続き取り組むとともに、球状の無孔及び多孔SiO2粒子を入手し、これらの還元へ上記探索で見出した条件の適用を図った。また、今回入手できた球状の無孔及び多孔SiO2粒子の粒子サイズが従来スプレー塗工法で用いてきたSiナノ粒子の径より一桁ほど大きかったことから、この径に合わせたスプレー塗工条件の探索も実施した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason aおおむね当初の計画通りに、順調に進展している。金属還元後の酸処理過程の粒子捕捉に関する収率向上のため、当初の計画にはなかった比較的粗大な球状SiO2ナノ粒子の利用を採用することとした。このことにより、これまた当初の計画に無かったスプレー塗工条件の探索を行わざるを得なくなったが、インク圧・吐出量・基板加熱温度・分散液攪拌などの条件を様々に探索することで、比較的粒径の大きな粒子も一様な厚みで塗工可能な条件があることを見出した。
Strategy for Future Research Activity	引き続き、卓上ガス置換炉を用い、金属還元法を用いた球状の無孔及び多孔SiO2粒子の還元に取り組み、X線回折測定及びX線光電子分光測定を行いながら、多孔Siナノ粒子の収率が高くなる実験条件を絞り込み、合成された球状の無孔及び多孔Siナノ粒子を用いたスプレー塗工膜により、構造に取り入れた空孔がサイクル安定性にどのように効いてくるのかを明らかにし、Si粒子を用いた全固体電池用負極電極体が高容量で高いサイクル安定性を持つための設計指針作りに取り組む。