2022 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

Research Project

Project/Area Number	20K05687
Research Institution	Osaka Metropolitan University
Principal Investigator	有吉欽吾大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80381979)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
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
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、「希薄電極法」を適用することでリチウムインサーション材料の反応速度について定量的評価を行うとともに、「反応機構」「粒子サイズ」「結晶構造」の異なるリチウムインサーション材料の反応速度を比較することで、反応速度に影響を与える因子を明らかにすることを目的としている。本年度は、５V級正極材料であるリチウム・ニッケル・マンガン酸化物に、チタンを置換することで、全反応領域にわたって均一相反応で進行する材料を合成し、リチウムインサーション反応機構が反応速度に与える影響について検討した。その結果、均一相反応は二相共存反応に較べて固相内リチウムイオン移動が速いことを見出し、その理由が固相内リチウムイオン拡散速度の向上によるものであることを、希薄電極法による速度論的検討により明らかにした。本研究では希薄電極法を用いることで、固体内におけるリチウムイオンの移動速度について定量的に評価することが可能になったことで、リチウムインサーション反応の律速過程を特定できるようになるとともに、その速度論的パラメーターを用いることで種々のリチウムインサーション材料の反応速度について、定量的な比較を可能にするという点で学術的に意義がある。また反応機構と反応速度との関係を見出いしたことは、従来では電池材料の高出力化を達成するには「粒子サイズ制御」もしくは「物性制御」という工学的手法に限られていたものが、新たに「反応機構制御」によっても高出力化が可能であることを明らかにした点で、工学的に重要である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画通り、希薄電極法を用いて種々のリチウムインサーション材料について速度論的解析を行うことにより、リチウムインサーション反応に影響を及ぼす因子を明らかにすることに成功している。また、本研究で当初予定していたスピネル型構造を有する「リチウム・ニッケル・マンガン酸化物」以外にも、層構造を有する「リチウム・コバルト酸化物」ならびに「リチウム・ニッケル酸化物」などについても同様に、希薄電極法を用いた速度論的解析に取り組んでいる。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究の推進方策として、スピネル型構造を有する「リチウム・ニッケル・マンガン酸化物」の速度論的解析としては、インサーション反応速度に対する粒子サイズの影響について検討する。さらに、層構造を有する「リチウム・コバルト酸化物」ならびに「リチウム・ニッケル酸化物」などについても、希薄電極法を用いた速度論的解析により、その固相内リチウムイオン拡散速度を明らかにする予定である。
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。