2013 Fiscal Year Research-status Report
イオン濃度分布解析による蓄電デバイス電極／電解質界面現象の解明と材料設計
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25410237
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
平山 雅章 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 講師 (30531165)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 無機工業化学 / エネルギー全般 / ナノ材料 / エピタキシャル / ハイブリッド車 |
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| Research Abstract |
平成25年度は中性子反射率法による電極/電解質界面構造の計測手法確立を初期の達成目標として,以下の3項目を実施した．(i)理想二次元電極/電解質界面の構築，(ii)電極/電解質界面の電気化学特性評価，(iii)中性子線・X線を用いた界面イオン分布のその場観察．(i)では中性子反射率測定に必要となる大面積かつ原子レベルで平滑な電極薄膜をパルスレーザー堆積法で作製し，チタン酸リチウム負極について20 mm角エピタキシャル薄膜を得た．(ii)では得られた薄膜のリチウムインターカレーション活性を確認し，膜厚が30 nm以下の場合に，理論値を大きく超える放電容量が得られ，電気化学界面では電極内と異なるエネルギー貯蔵機構が存在することが示唆された．(iii)では，充放電中におけるイオン濃度分布の実測からエネルギー貯蔵機構を明らかにするため，J-PARC BL16 (SOFIA)においてin situ中性子反射率測定を行った．得られた反射率曲線を解析した結果，電極表面数10nmの領域では，電池作製時に電解液との接触により，リチウムイオン濃度が低下することが分かった．また電解液種を変化させることで，濃度分布が変化することを明らかにした．インターカレーション電極では異相間の電気化学ポテンシャルの違いを緩和するために，イオン拡散により空間電荷層が形成されることを明らかにした．次年度は充放電中における解析を進め，高容量発現の機構解明を目指す．
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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
本研究は,【1】中性子反射率法による電極/電解質界面構造の計測手法確立,【2】空間電荷層・ 電気二重層における現象解析,【3】空間電荷層・電気二重層と電池性能との相関解明,を目指して以下の6項目を進めている.(i)理想二次元電極/電解質界面の構築,(ii)電極/電解質界面の電気化学特性評価,(iii)中性子線・X 線を用いた界面イオン分布のその場観察,(iv)TEM観察によるex-situ 界面観察,(v)空間電荷層・電気二重層の制御と反応解明,(vi)界面現象と電池特性との相関解明.高エネルギー密度,高速,高安全性を実現する蓄電デバイスの界面制御指針を構築する.このうち，平成25年度は主に(i)-(iv)について実施，測定手法を確立したうえで，26年度以降に(v)(vi)を加速し，機構解明を目指すことを計画した．平成25年度は，「研究実績の概要」のとおり，中性子反射率実験に必要な大面積の薄膜試料を作製したうえで，高品質の中性子反射率データを獲得することに成功した．さらに電池作製時のデータについては解析プロセスも構築し，空間電荷層形成を検出できた．充放電反応時の中性子反射率解析についても，解析が進んでおり，他の解析手法の結果と合わせた妥当性を検証しているところである．これより反射率解析については計画通り解析手法の確立にむけて進展している．一方，TEM観察については，薄膜試料にダメージを与えない低温での観察試料作製に課題があり，観察にいたっていない．以上より，「おおむね順調に進展している」．
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| Strategy for Future Research Activity |
界面現象と電池特性との相関解明.高エネルギー密度,高速,高安全性を実現する蓄電デバイスの界面制御指針を構築するため，平成26年度以降は以下の課題に取り組む必要がある．いずれも研究実施計画で示した実施項目であり，これらを着実に進めることが目的が達成されると考える．(i)理想二次元電極/電解質界面の構築:電極系をオリビン,スピネル,層状岩塩型正極に展開する.正極は電池の限界性能を決定づけるが，表面皮膜の形成,電極溶出など複雑な界面反応を有する．初年度に構築した反射率解析技術に基づいて着実に進める.(ii)中性子線・X 線を用いた界面イオン分布のその場観察:(a)異なる材料系,(b)膜厚が異なる電極膜,(c)酸化物積層電極のイオン濃度分布解析を行う.イオン移動の向き,空間電荷層・電気二重層の厚みの違いなどから,空間電荷層・電気二重層における現象解析を進める.(iii) TEM 観察による ex-situ 界面観察:電池動作前後の界面構造を観察し，反射率解析にフィードバックする.(iv) 空間電荷層・電気二重層の制御と界面反応解明:積層する酸化物の組成,膜厚により,空間電荷層内のイオン濃度,傾斜や空間電荷層の厚みの制御を試みる.X 線回折や反射率, 吸収分光測定から観測される違いとの相関性を検証する.定量的な評価として,ホール測定からキャリア密度を,インピーダンス測定から誘電率を求め,空間電荷層内のイオン濃度分布や厚みをシミュレーションすることを並行し,空間電荷層の現象を解明する.
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Research Products
(5 results)
