2015 Fiscal Year Research-status Report
リチウムのグラファイトインターカレーションにおける固液界面反応の物理
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26390060
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
河合 孝純 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30455571)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 固液界面反応 / リチウムイオン電池 / グラファイトインターカレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムイオン二次電池の急速充放電に大きな影響を与えると考えられるLi(EC)4の配位構造からリチウムのグラファイトへのインターカレーションのための拡散障壁を第一原理電子状態計算によって求めた。リチウムのインターカレーションは一般にグラファイトのエッジで起こると考えられるが、終端構造の影響はあまり議論されていない。本研究ではリチウムイオンが溶媒中でエチレンカーボネート（ＥＣ）に溶媒和した状態からグラファイトの層間に挿入されるまでの拡散障壁がグラファイトのエッジ終端構造によって受ける影響を明らかにした。酸素終端はグラファイト層間を広げる効果があるだけでなく、エッジを負に帯電させることで正に帯電しているリチウムを引き付ける効果があることがわかり、急速充放電時の固液界面に近傍おけるリチウムのリザバを形成すると考えられる。拡散障壁は印可する電位によるが、充電時に相当する電位では、水素終端したグラファイトでの拡散障壁はほとんどなく、酸素終端ではポテンシャルの溝が形成されるが、溶媒和した状態を基準とするとやはり拡散障壁はほとんどないことが分かった。したがって、グラファイトの酸素終端はリチウムイオン電池の急速充放電において有効な可能性が高いと考えられる。
一方で炭素から形成される様々な安定構造の電子状態や構造安定性さらには電界による電子状態への影響を明らかにした。特に2層グラフェンにおいて片方の層に格子欠陥があることによってバンドギャップが形成されることが分かり、このような電子状態の変化がリチウム原子の吸蔵や拡散に影響を与えると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
SEI及び電解液分子が形成する液体状態の分子の構造モデルを構築する計画する予定であったが、グラファイトエッジ近傍の酸素原子へのリチウムイオンの吸着が電極界面での重要な課題であることが分かってきたため、そちらに注力し、電解液分子の構造モデルの構築ができなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終的な研究の目的である急速充放電に影響する機構の理解において、グラファイトエッジへのリチウムの吸着が大きな影響を与えることが分かってきた。そこで、溶媒効果の前にエッジに吸着したリチウムの影響を評価することに研究のリソースを集中する。また、グラファイト中の欠陥構造がリチウムの拡散に与える影響も重要であると考えられるため、上記と合わせて研究を推進したいと考えている。
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| Causes of Carryover |
おおよそ想定された支出であり、生じた未使用額は300円程度の端数なので研究計画上問題はない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
予定通り、研究会、学会発表のための旅費を中心として使用させていただく。
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