2014 Fiscal Year Research-status Report
次世代ケイ素系負極を活かすためのイオン液体電解液との界面構築
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25810141
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
薄井 洋行 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60423240)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / イオン液体電解液 / ナトリウムイオン電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ケイ素（Si）は次世代リチウムイオン電池負極用の高容量活物質として期待されているが，Liの吸蔵－放出の際に大きな体積変化を示しこれが活物質層の崩壊を引き起こすため，充放電サイクル寿命に乏しい．これを解決する手段の一つとして，イオン液体電解液の適用による適切な電極－電解液界面の構築を行った．本研究では，特にイオン液体のカチオン構造に着目し，Si系負極の性能に与える影響を調べた．
電極作製には電極－電解質界面の直接観察に適した電極を作製可能とするガスデポジション法を用い，Si厚膜電極を作製した．電解液には側鎖にエーテル基を有する 1-((2-methoxyethoxy)methyl)-1-methylpiperidinium（PP1MEM），これを含まない1-hexyl-1-methylpiperidinium（PP16）と，bis(trifluoromethanesulfonyl)amide（TFSA）からなるイオン液体に対してLithium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide（LiTFSA）を濃度 1.0 Mとなるように溶解させたものを用いた．有機電解液として1 M LiTFSA/propylene carbonate（PC）を用いた実験も行った．
いずれのイオン液体電解液を用いた場合も，100サイクル後において現行の黒鉛電極の理論容量の約3倍に匹敵する約1100 mA h g-1の高い放電容量を維持し，有機電解液の性能を大幅に凌ぐ結果が得られた．さらにPP1MEM-TFSAを用いたものはPP16-TFSAよりも900 mA h g-1高い2670 mA h g-1の高い初回容量を示した．これらの結果は，局所的な負電荷を有するエーテル基の存在が，Liイオンの脱溶媒和を促進しスムーズな電荷移動を可能にしたことによるものと考えられる．
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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
初年度は，導電助剤や結着剤を含まないSi負極の性能に対して，イオン液体電解液のアニオン構造が与える効果を系統的に調査してきた．この知見に加え，本研究では
カチオンに1-((2-methoxyethoxy)methyl)-1-methylpiperidinium（PP1MEM）と，1-hexyl-1-methylpiperidinium（PP16），アニオンにbis(trifluoromethanesulfonyl)amide（TFSA）を用いたイオン液体を選び，これらの結果を比較することでカチオン構造が負極性能に与える影響を解明することができた．したがって，今回の結果は，純粋にSi活物質層とイオン液体電解液のみの相互作用を吟味できる系となっており，カチオン・アニオン構造が電極反応のメカニズムに与える影響を直接評価できたと言える．さらに，従来の有機溶媒系電解液での性能を大幅に上回る性能が得られたことは，イオン液体が実用の蓄電池電解液にも有用であることを示す貴重な成果である．これらの結果より，イオン液体の構造をデザインし，電極－電解液界面の構造を最適化することでSiの有する高い理論容量を効果的に引き出すための非常に重要な知見を得ることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
イオン液体は難燃性を有するため，安全性を重視した高エネルギー密度の蓄電池には適した電解液となり得る．また，その構造を自由にデザインできるため，電極－電解液界面でのLiイオンの挙動を自由に操れる電解液として機能し得る．本研究では，イオン液体こそが次世代負極材料であるSiに適した電解液になると期待し，その高容量をより一層活かせる界面の構築を取組む予定である．これまでの研究で，エーテル基をその構造中に導入した1-((2-methoxyethoxy)methyl)-1-methylpiperidinium（PP1MEM）を用いた場合には電荷移動抵抗や脱溶媒和に要するエネルギーが下がるという結果が得られており，これは高速充放電性能が向上する可能性を示している．したがって，今後は電解液のみならず電極側についてもLiイオンの高速移動な可能な活物質を適用し，高速充放電性能の改善を検討したい．さらに，リチウムイオン電池だけでなくナトリウムイオン電池に関しても，イオン液体電解液を適用し，得られる知見をたがいに反映させながら両者の電池開発を進めたいと考えている．
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| Causes of Carryover |
早期に学会・研究会等での情報収集を積極的に行い，研究に有意義な情報を収集できたことによる．特に，高額な消耗品であるイオン液体電解液の使用について，非常に少量での評価を行う手法を情報収集により確立することができ，これにより前年度に購入した備品と試薬のみで実験を効率的に進めることが可能となったため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
蓄電池の分野は技術競争の激しい分野であるため，今後も情報収集を行うとともに，これまでに検討していない負極材料やイオン液体電解液を検討し，新しい研究成果を得る予定である．
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