2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of warped nano-graphene for advanced batteries
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20K05617
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
服部 義之 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (20456495)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | グラフェン / リチウムイオン二次電池 / 高エネルギー密度電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムイオン二次電池（LIB）は、現在、高エネルギー密度化に向け、新規電極材料の開発が求められている。本研究では、多電子反応と高い作動電位を反映して優れたLIB電極特性を示すフッ化鉄系材料に注目した。またフッ化鉄系材料の電極特性を最大限に引き出すため、湾曲グラフェン繊維中にフッ化鉄系材料を高分散し、グラフェン由来の高電気伝導性、フッ化鉄系材料の高エネルギー密度、および一次元繊維構造化による高速イオン拡散の効果により、革新電池を創製することを目指した。
前年度までに綿繊維を出発物質とした試料調製とフッ素化条件の検討を重ねた結果、平均粒子径が108 nmのフッ化鉄ナノ粒子が分散したグラフェンとの複合体を調製に成功した。またグラフェン-フッ化鉄ナノ粒子複合体を電極として充放電実験を行ったところ、可逆的に充放電可能であることが確認できた。
最終年度は、さらに試料調製方法の検討を重ね、平均繊維長が約50 μm、平均繊維径が約10 μmのグラフェン-フッ化鉄ナノ粒子複合体の調製に成功した。またフッ化鉄ナノ粒子のサイズ制御も試み、平均直径が約40 nmで表面が数層のグラフェン層で被覆されたフッ化鉄ナノ粒子を調製できた。さらにこのグラフェン-フッ化鉄ナノ粒子複合体をLIB電極特性と評価したところ、可逆的に充放電反応が進行することが確認でき、最大でフッ化鉄重量当たり186 mAh/gの容量が得られた。目標としていた湾曲グラフェン繊維とフッ化鉄複合材料の調製には成功したが、電池電極特性（容量とサイクル特性）には改善が必要なことも明らかになった。フッ化鉄ナノ粒子の中には粒子径の大きなナノ粒子が含まれており、これらが電極特性の劣化に関与していると考えられる。そこで引き続き、より均一でサイズの小さなフッ化鉄ナノ粒子の作製に向けて改善を検討している。
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