2015 Fiscal Year Research-status Report
原子レベル構造解析に基づいたリチウムイオン電池電極材料の表面・界面理論の構築
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26790053
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
橘田 晃宜 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電池技術研究部門, 研究員 (90586546)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 電極-電解液界面 / 電極表面構造 / その場観察 / 原子間力顕微鏡 / 透過電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2015年度の主な研究実績として、Li-ion 電池電解液中における電極材料表面の安定性の調査と表面構造変化の解明が挙げられる。詳細は1. 透過電子顕微鏡による有機電解液中で保存したチタン酸リチウム (Li4Ti5O12) 電極表面の構造変化メカニズムの解明、2. 環境制御型原子間力顕微鏡による有機電解液-マンガン酸リチウム界面反応のその場観察である。1. に関して、チタン酸リチウムは Li-ion 電池の負極材料として実用化されており、充放電過程での高い安定性が知られている材料であるが、有機電解液中で長期間保存した場合における表面の安定性に関しては調査されていない。本成果では、透過電子顕微鏡による結晶構造解析および元素組成分析を実施し、電解液中での保存試験によってチタン酸リチウム表面の結晶構造がスピネル構造から岩塩構造に変質すること、およびその構造変化が表面からの自発的な酸素とリチウムの溶出によって引き起こされることを明らかにした。電極表面からの自発的な物質移動現象は電気化学的な手法や分光法などの手法で間接的に予想されているが、本件では実空間スケールで直接的にこれらのことを明らかにした点で意義深い成果である。2. 関して、マンガン酸リチウムは車載用途などの大型のリチウムイオン電池の電極材料として注目されており、特にその安定性の向上が重要とされている。電池試験時のマンガン酸リチウムの安定性は、有機電解液-電極界面で起こりうる種々の反応によって決定されており、特に表面の溶解現象の抑制が重要とされている。本成果では、電池セル内部の非水環境を再現した原子間力顕微鏡により、有機電解液-電極界面で起こりうる溶解現象を調査し、電極表面への水吸着を抑制することで、固液界面を原子レベルで安定に維持できることを明らかにした。
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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
2015年度以降の研究計画として、作製したモデル基板の表面観察を種々の環境で実施し、表面反応の実態を解明することを予定していた。本案件に関しては、マンガン酸リチウムの電解液中観察によってほぼ達成されたといえる。また、透過電子顕微鏡による解析への展開に関しても、チタン酸リチウムモデル基板を用いた研究を実施し、電解液中での表面反応のメカニズムを物質移動の観点から明らかにするに至った。原子・分子レベルでの議論に関してはチタン酸リチウムに関しては前年度の成果も踏まえておおむね達成できたと言えるが、マンガン酸リチウムに関しては今後の課題である。その他、Li-ion 電池からNa-ion 電池系への展開も計画していたが、本展開を踏まえ、チタン酸リチウムに関してNa-ion 電池特性の評価も行った。その結果、Na-ion 電池系においても十分な電池挙動が得られることが明らかとなり、チタン酸リチウムモデル基板を用いた電極電解液界面の調査を Na-ion 電池系で展開できる見通しが得られた。以上の進展を踏まえ、研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は主に実験と計算の二点で推進していく予定である。1. 実験に関しては環境制御原子間力顕微鏡を用いた in-situ 測定を Li-ion 電池系で展開する予定である。具体的にはチタン酸リチウムのモデル基板を電池電解液中で実際に充放電反応させ、その際に固体液体界面でどのような変化が生じるのかを調査する。またその結果を Na-ion 電池系とも比較し、両者の違いや共通点を明らかにすることを考えている。2. 計算に関してはチタン酸リチウム表面と電解液分子との相互作用の原理を明らかにすることを目標に進める。具体的には結晶の(001) 表面の最安定モデル構造を第一原理シミュレーションによって解析し、その表面に炭酸エチレン分子を吸着させた場合の安定構造や電子状態を解析する。それによって表面原子と分子の相互作用がどのような物理原理に基づいて再現されるかを明らかにしていく。第一原理計算を進める上で、セルの設計、計算手続きの最適化および解析の妥当性などを検討していく必要がある。これらに関しては適宜指導を仰ぎながら進めていく予定である。
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