Development of Cathode Materials in Conjugated Pi Electron Systems for Next-Generation Secondary Batteries

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K14399
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 石井 暁大 東北大学, 工学研究科, 助教 (90898438)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: ニトリドボレート / 共役π電子 / 窒化物 / 二次電池 / リチウムイオン電池 / 全固体電池

Outline of Annual Research Achievements

主な成果は次の2点である。
[1] ルチル型Li3BN2単相試料の合成に成功: 試料合成法を工夫し、XRDレベルでルチル型Li3BN2単相試料を合成した。昨年度までにアナターゼ型と単斜晶型の単相試料の作製に成功していたので、これで既知の全て多形について単相試料が揃った。なお、MAS-NMR分析ではBを含む微量の不純物があると示唆された。
[2] 元素欠陥を含むルチル型Li3BN2を合成: ルチル型Li3BN2へのC, Mg, S, Al, Si, Ga添加を、窒化物原料および単体原料などを用いて固相反応法で試みた。格子定数の変化 (べガード則) より、Siは少なくとも 5 mol%、Mg は6 mol% 程度固溶する と示唆された。固溶サイトについては密度汎関数理論に基づく第一原理計算を用いて現在調査中である。ACインピーダンス分光法で測定したS, Si, Mg添加試料の電気伝導度は、無添加試料と比較し10倍高かったが活性化エネルギーは変化しなかった。一方で、ヨウ素-アセトニトリル溶液を用いて作製したLi欠損試料は無添加試料と比較し黄色みを呈し、100倍以上高い電気伝導度を示し、活性化エネルギーも半減した。Li欠損試料はルチル型構造が維持されてたが、ICP-MS組成はLi2.2BN2となっていた。このLi欠損試料を用いて液系電池を作製したが、その充放電作動を支持する結果は得られなかった。その原因は現在調査中である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

相を制御しながら安定的にLi3BN2を合成する技術を確立し、元素欠陥の導入により電気伝導性を向上させた点は計画通りである。

Strategy for Future Research Activity

ルチル型のみならずアナターゼ型Li3BN2についても元素欠陥の導入を試みる。欠陥導入により電気伝導性が向上した試料を用いて、引き続きLi3BN2を用いた電池の原理実証を試みる。

Causes of Carryover

研究の進展状況に合わせて支出を調節した。引き続き当初の使用計画にそって支出する。