Development of Li-composite anodes for highly stable rechargeable batteries based on in-situ transmission electron microscopy observations
| Project/Area Number |
20H02618
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
種村 眞幸 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30236715)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | ２次電池 / 負極 / リチウム / 透過電子顕微鏡 / その場観察 |
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| Outline of Research at the Start |
現在よりもさらに高容量、高エネルギー密度で、かつ安全性が高く低価格な二次電池開発は急務である。本研究では、その場TEM観察により得られる２次電池充放電時のLiおよび電極材料の原子レベルでの挙動解析の知見を基に、上記の要件を満たすハンドリングが容易なLi系負極の開発を行う。すでに予備実験で、種々の金属ナノ粒子を含有する非晶質炭素の室温合成手法、および、その１次元様細線に通電加熱を行うことで、含有金属の触媒作用により非晶質炭素が高結晶化する様子をその場TEM観察する手法も得ている。これをLiに適用し、Li系負極の充放電その場TEMの解析から、安全性の高い、最適結晶構造・組成のLi系負極を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、透過電子顕微鏡（TEM）その場観察により得られる２次電池充放電時のLiおよび電極材料の原子レベルでの挙動解析の知見を基に、安全性が高くハンドリングが容易で高性能なLi系負極の開発を行うものである。
(a) Li系複合材料合成装置の試作：2020年度は初年度である。これまでの予備実験の結果を踏まえ、Li系複合材専用の特型試料作製装置を完成させた。予期せぬ不純物の混入を防ぐため、本装置は、Li系材料専用である。供給するLi量を制御することで、Li含有量の制御が可能である。試料台の温度は、室温～500℃の範囲で制御可能である。
(b) Li系複合材の静的TEM解析：設備の有効活用を図るため、学内共用設備である原子分解能TEM（JEM-ARM200F）を用いた。従って、材料の合成とTEM観察は一貫プロセスではなく、独立したシステムである。学内共用設備のTEMはグローブボックス対応ができないため、合成した試料を大気中でTEM試料ホルダーに装着し観察を行った。TEM観察の結果、複合材母材に埋め込まれたLiは狙い通りmetallicであり、電子線照射にも比較的強く、金属Li格子像の観察も可能であった。これにより、本Li系複合材は、従来難点とされてきた大気暴露下での取り扱いが容易であることが確認された。また、この大気暴露耐性はLi以外の金属（例えばCo系複合材）でも有効であることが確認できた。
(c) Li系複合材を用いた充放電その場TEM観察：本格的なその場観察に先立ち、複合材と対向電極を接触させた過度の充放電を試みた。その結果、本複合材での十分な構造変化の情報を引き出すには、固体電解質の選定も重要であることが明らかにされた。
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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
年初に計画した、(a) Li系複合材料合成装置の試作、(b) Li系複合材の静的TEM解析、(c) Li系複合材を用いた充放電その場TEM観察の何れの項目も実施することができた。これらの実験で得られた成果を、国際論文誌２報で報告するとともに、国際会議２報、国内会議２報の報告を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本開発のLi系複合材を用いた充放電その場TEM観察（2020年度の実験の継続と新展開）：2020年度の実験の中でも、特にその場観察に注力し実験を進める。ここでの実験のポイントは、正極材料の選択（最適化）と固体電解質の選択（最適化）である。まずは炭素（グラファイト）を正極に用いるが、現状のLiイオン電池（LIB）で一般的なLi－Co酸化物も試みる。その結果を見ながらマンガン系等も正極に用い、充放電に伴うLiの挙動、正極構成元素の挙動、結晶構造変化を精査し、安全で安価なLIB開発の指針を得る。また、次世代の正極として期待される硫化物系等でも同様に挙動解析を行い、Liの出入りに伴う正極の膨張、結晶構造の劣化についての知見を得る。また、正極にもナノ粒子含有複合材を試みることで、正極の膨張、結晶構造の劣化を抑制する手法も検討する。
2020年度の結果から、固体電解質の選定は重要である。先ずは固体電解質として一般的な、LISICON（LIthium Super Ionic CONductor； Li－Ge酸化物を母構造とした材料に，Znが固溶したイオン導電体）を試みる。ピエゾ駆動可能な正極にこの固体電解質を堆積させたものと本開発のLi系複合材負極を接触させ、TEM中での充放電特性評価と原子挙動のその場観察を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
