2021 Fiscal Year Research-status Report
リチウムインサーション電極の反応速度に関する基礎研究
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20K05687
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
有吉 欽吾 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80381979)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 電極反応速度論 / リチウムインサーション電極 / 固相拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、リチウムイオン電池の高出力化を目指す上で重要な、リチウムインサーション電極の速度論の解明を目指して、希薄電極法を用いてリチウム・ニッケル・マンガン酸化物正極の粒子サイズがレート特性に与える影響について検討した。
種々の焼成温度条件で合成することで、粒子サイズの異なるリチウム・ニッケル・マンガン酸化物を合成し、希薄電極法を用いてレート試験を行った。その結果、粒子サイズの違いに因らず、通常電極でのレート特性よりも希薄電極でのレート特性のほうが遥かに高くなることを見出し、これが２つの電極において律速過程が異なるためであることを明らかにした。すなわち、通常電極においては電極内部に存在する電解液中でのLiイオン拡散が律速過程となるのに対し、希薄電極では活物質内部の固相Liイオン輸送が律速過程となっていることを明らかにした。
この律速過程の違いにより、希薄電極では活物質の粒子サイズが小さいほどレート特性が向上するのに対し、通常電極では粒子サイズが大きいほどレート特性が向上するという差異が見られた。このことは、液系電池の高出力化においては、高結晶粒子が適していることを示唆しており、それに対し、全固体電池の出力特性向上には、活物質のナノサイズ化が適していることを強く示唆している。
以上の結果は、リチウムイオン電池の高出力化を阻害している要因が、活物質内部でのLiイオン輸送ではなく、電極内部における電解液中のLiイオン拡散であることを意味しており、リチウムイオン電池の高出力化を目指す上で、リチウムインサーション電極の構造最適化に対する重要な指針が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度では、リチウムインサーション電極の反応速度を測定することが可能な「希薄電極法」を用いて、様々な粒子サイズをもつリチウム・ニッケル・マンガン酸化物正極のレート区制を検討することで、反応の律速過程を明らかにすることに成功し、リチウムインサーション電極の反応速度論を理解するための基本的な情報を得ることができた。加えて、リチウムイオン電池の高出力化につながる指針を得ることにも達成し、当初の研究計画に沿った順調な進捗状況となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究で、リチウムインサーション電極の速度論の解明に、「希薄電極法」が有効な手段であることが判明したので、今後も希薄電極法によるリチウムインサーション電極の反応速度に及ぼす因子について検討を行っていく。特にリチウムインサーション材料の反応機構と「固体内Liイオン輸送減少」との関係について詳細な検討を行っていく予定である。具体的には、均一相系反応で進行する材料と、二相共存反応で進行する材料について、レート特性を比較・検討することで固体内Liイオン輸送現象とリチウムインサーション電極のレート特性との関係について検討を行っていく。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により、実験の試行回数が少なくなったことにより、材料合成用の試薬や電池作成用の電解液やLi金属、アルゴンガスといった消耗品の使用量が減った為。次年度では実験に注力する予定であり、計画どおりの予算を使用する予定である。
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