2020 Fiscal Year Research-status Report
Establishment of in-situ estimation method of lithium accumulated in lithium ion secondary batteries using elastic recoil detection technique
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20K05138
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
土屋 文 名城大学, 理工学部, 教授 (90302215)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | リチウム酸化物 / リチウムイオン二次電池 / リチウムイオン移動機構 / 大気型反跳粒子検出法 / リチウム蓄積量 / 液体電解質 / その場測定 / 正極/電解質界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、大気雰囲気において液体中のリチウム濃度を約10 nmの深さ分解能で高感度に測定できる反跳粒子検出法を用いて、リチウムイオン二次電池の充放電時における電極-液体電解質界面のリチウムイオン移動量をその場で測定し、リチウムイオン移動機構を解明するとともに、充放電時の電極および電解質内の過渡的なリチウム蓄積量を定量的に評価する手法を確立することを目的とした。
既存のマグネトロンスパッタリング蒸着装置を用いて、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LATP)基板上に厚さ約100 nmのLiCoO2およびC、さらにそれぞれの薄膜上に厚さ約10 nmの金(Au)およびプラチナ(Pt)を蒸着して、LiPF6を液体電解質としたリチウム電池試料を作製した。
また、作製したリチウム電池試料を電圧印加できるアルミナ製の絶縁試料ホルダーを作製した。さらに、イオンビーム分析法の一つである反跳粒子検出(ERD)法を用いて、大気雰囲気において電圧を変化させながらその場でリチウム電池内のリチウム濃度測定が行えるように既存の超高真空装置を改良した。ERD法の場合、タンデム型加速器からのMeV領域の炭素イオン(C+)をプローブビームとして用いる。イオンは厚さ約200 nmのSi3N4セパレータ膜を透過して真空から大気中の試料表面に対して20°に入射される。イオンとの弾性衝突により入射方向に対して30°前方に散乱されたリチウムイオンは再びSi3N4セパレータ膜を透過して大気から真空内へ入り、そのイオンのエネルギーとその数が半導体検出器(SSD)により検出され、深さに対するリチウム濃度分布が得られる。同時にラザフォード後方散乱(RBS)法により、140°後方に散乱されたプローブビームも真空内へ入り、そのイオンのエネルギーとその数がSSDにより検出され、試料表面の構成元素の深さ分布が調べられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和2年度では、大学院生および技術職員の協力を得て、既存のマグネトロンスパッタリング装置、イオンビーム分析(反跳粒子検出(ERD)法)装置および超高真空装置を用いて、リチウムイオン二次電池試料および試料ホルダーの作製、さらに、大気雰囲気において電圧を変化させながらその場でリチウム電池内の水素およびリチウム濃度を測定する装置の改良を計画通り実施することができた。
作製した大気雰囲気用イオンビーム分析装置および既存の電気化学測定装置を用いて、室温および大気雰囲気において、リチウム電池に1.0～2.7 Vの各印加電圧で15分間保持しながら電極に流れる電流値を正確に計測すると同時に、LiCoO2正極およびLiPF6液体電解質界面近傍の水素およびリチウム濃度変化をその場で測定することで、リチウムイオン移動量と電気特性との関連性を明らかにする。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度では、令和2年度に作製したリチウムイオン二次電池試料、絶縁試料ホルダーおよび大気雰囲気用イオンビーム分析(反跳粒子検出(ERD)法)装置を利用して、LiCoO2正極からC負極へ、また、C負極からLiCoO2正極への電位勾配によりLiPF6液体電解質内を駆動されて流されるリチウムイオンの流量をその場で測定するとともに、電気化学測定装置を用いて計測する電流値と比較し、放電時のリチウムイオン移動量と電気特性との関連性を調べる。
さらに、第一原理計算により、LiCoO2正極およびLiPF6液体電解質界面近傍の水素およびリチウムの蓄積占有位置およびリチウムイオンの移動軌跡を調べ、大気雰囲気型ERD法によって得られた実験データを解析してリチウムイオンの移動機構を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
令和2年度のリチウムイオン二次電池試料作製、試料ホルダーの作製、さらに、大気雰囲気におけるリチウム電池試料内の水素およびリチウム濃度分布測定において、予算を執行すること無しに既存の装置をある程度そのままの状態で利用して研究を遂行することができた。
令和3年度では、年度を繰り越した予算を追加して、大気雰囲気で加熱温度および湿度を変化させたときのLiCoO2正極、LiPF6およびLATPリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス電解質およびC負極中の水素およびリチウムの占有位置およびリチウムイオンの移動軌跡を調べるための第一原理VASP計算コードの権利獲得および恒温恒湿調整装置を購入する予定である。
さらに、本研究において得られた研究成果を日本金属学会、イオニクス討論会、プロトンおよびイオン伝導体、エネルギー・環境に関する国内および国外の学術講演会や国際会議において口頭およびポスター発表を実施するとともに、論文を作成して学術雑誌に投稿する予定である。
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