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エピタキシャル薄膜を用いたリチウム電池電極の反応解析

研究課題

研究課題/領域番号 10J56282
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 機能材料・デバイス
研究機関東京工業大学

研究代表者

鈴木 耕太  東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2010 – 2012
研究課題ステータス 完了 (2012年度)
配分額 *注記
2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
2012年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2010年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワードリチウム電池 / 電極界面反応 / エピタキシャル薄膜 / X線表面散乱法 / 固固界面 / X線表面散乱方
研究概要

パルスレーザ堆積法を用いて,SrTiO_3単結晶基板の上に,様々なリチウム電池電極材料のエピタキシャルモデル電極を合成した.LiFePO4(100)電極において,α軸方向へのリチウム異常拡散と膜厚減少による電極特性向上が観測され,Li(Mn,Co,Ni)O_2(1-18),Li_4Ti_5O_<12>(111)電極は理論容量を超える充放電容量を示した.また,中性子反射率法,表面X線回折法によるその場観察を行い,電池作成(固液界面形成)時の電極と電解液界面における構造変化を調べた.LiFePO_4(100)電極では,格子間リチウムの挿入,Li(Mn,Co,Ni)O_2(1-18),Li_4Ti_5O_<12>(111)電極では,リチウム欠損の生成が観測された.このことから,固液界面形成に伴いリチウム拡散が進行し,空間電荷層が形成されることが示唆された.ナノ電極における,マイクロ電極と大きく異なる電気化学特性は,これまでナノ効果として,比表面積の増大や,リチウム・電子拡散距離の短縮,表面エネルギーの寄与によって出現すると考えられてきた.しかし,本研究の結果から,空間電荷層の形成後の構造が,ナノ電極の電気化学特性に寄与していることが見出された.電池作成時に観測された空間電荷層の形成は,電極と電解液界面における化学ポテンシャルの差を緩和させるために,リチウムが拡散したことによると考えられる.半導体や電子伝導体の場合,界面における空間電荷層は電子の移動によって形成される.しかし,リチウム電池電極材料や電解液は,電子伝導性が乏しいため,リチウムイオンが正電荷キャリアとして機能することで,空間電荷層が形成する.この挙動は,リチウムのインターカレーションが可能な電極の特徴の一つであり,さらに,それにより引き起こされる電極構造変化が,電子移動の場合に比べて大きいことが,電極の物性に強く影響し,ナノ電極の優れた電気化学特性に寄与していると考えられる.

報告書

(3件)
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 2010 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2013 2012 2011 2010 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (12件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Fabrication and electrochemical properties of LiMn_2 O_4/SrRuO_3 multi-layer epitaxial thin film electrodes2013

    • 著者名/発表者名
      K. Suzuki. K. Kim, S. Taminato, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      J. Power Sources

      巻: 226 ページ: 340-345

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Characterization of Nano-Sized Epitaxial Li<sub>4</sub>Ti<sub>5</sub>O<sub>12</sub>(110) Film Electrode for Lithium Batteries2012

    • 著者名/発表者名
      K. Kim, T. Toujigamori, K. Suzuki, K. Tamura, J. Mizuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      Electrochemistry

      巻: 80 号: 10 ページ: 800-803

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.80.800

    • NAID

      130002147504

    • ISSN
      1344-3542, 2186-2451
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication and lithium intercalation properties of epitaxial Li_2RuO_3 thin films2012

    • 著者名/発表者名
      Y.Zheng, S.Taminato, K.Suzuki, M.Hirayama, R.Kanno
    • 雑誌名

      Thin Solid Films

      巻: (In Press) 号: 15 ページ: 4889-4893

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2012.03.029

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-capacity phase formation by surface modification of Li_3PO_4 on nanosized Li_2RuO_3 electrode for lithium batteries2012

    • 著者名/発表者名
      Y.Zheng, S.Taminato, Y.Xu, K.Suzuki, K.Kim, M.Hirayama, R.Kanno
    • 雑誌名

      J.Power Sources

      巻: 208 ページ: 447-451

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2012.02.044

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] LiMn_2O_4電極における表面修飾効果の発現機構2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木耕太, Kim Kyungsu, 田港聡, 萩原明日菜, Son Jin-Young, 田村和久, 稲見俊哉, 小西啓之, 水木純一郎, 平山雅章, 菅野了次
    • 学会等名
      電気化学会第80回大会
    • 発表場所
      仙台、 宮城県
    • 年月日
      2013-03-29
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] LiFePO_4エピタキシャ薄膜を用いたナノ電極反応解析2012

    • 著者名/発表者名
      鈴木耕太・平山雅章・Kim Kyungsu, 田村和久, 水木純一郎, 菅野了次
    • 学会等名
      第53回電池討論会
    • 発表場所
      福岡、 福岡県
    • 年月日
      2012-11-16
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Modification effects on structural changes of LiMn2O4 electrode during the electrochemical process2012

    • 著者名/発表者名
      K. Suzuki. K. Kim, S. Taminato, M. Komo, A. Hagiwara, J.-Y. Son, T. Inami, H. Konishi, K. Tamura, J. Mizuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • 学会等名
      PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMIC AL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
    • 発表場所
      Hawaii (アメリカ)
    • 年月日
      2012-10-08
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Mechanistic study on the surface modification effects using the LiMn_2O_4 thin film electrodes2012

    • 著者名/発表者名
      K. Suzuki. K. Kitn, S. Taminato, J.-Y. Son, T. Inami, H. Konishi, K. Tamura, J. Mizuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • 学会等名
      IUMRS-International Conference on Electronic Materials 2012
    • 発表場所
      横浜、 神奈川県
    • 年月日
      2012-09-26
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Lithium ion diffusion along a-axis in nanosized LiFePO_42012

    • 著者名/発表者名
      K. Suzuki. M. Hirayama, K Kim, M. Komo, R. Kanno, K. Tamura, J. Mizuki
    • 学会等名
      16th International Meeting on Lithium Batteries
    • 発表場所
      済州島(韓国)
    • 年月日
      2012-06-21
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] LiMn_2O_4電極表面修飾効果と電気化学特性の検討2012

    • 著者名/発表者名
      鈴木耕太, Kim KyungSu, 田港聡, 粉生守, 南嶋宏映, 平山雅章, 菅野了次, Son Jin-young, 田村和久, 水木純一郎
    • 学会等名
      電気化学会第79回大会
    • 発表場所
      アクトシティ浜松(静岡)
    • 年月日
      2012-03-29
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Surface Structural Changes of LiMn_2O_4 During Electrochemical Reaction2011

    • 著者名/発表者名
      K.Suzuki, M.Hirayama, K.Kim, S.Taminato, M.Komo, H.Minamishima, R.Kanno, J.-Y.Son, K.Tamura, J.Mizuki
    • 学会等名
      the 62^<nd> Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟)
    • 年月日
      2011-09-13
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] LiMn_2O_4電極表面構造と電気化学特性2011

    • 著者名/発表者名
      鈴木耕太, 平山雅章, Kim KyungSu, 田港聡, 粉生守, 南嶋宏映, 菅野了次, Son Jin-young, 田村和久, 水木純一郎
    • 学会等名
      2011年電気化学秋季大会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟)
    • 年月日
      2011-09-09
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Electronic structure changes of LiMn_2O_4 surface during electrochemical process2011

    • 著者名/発表者名
      K.Suzuki, M.Hirayama, K.Kim, S.Taminato, M.Komo, H.Minamishima, R.Kanno, J.-Y.Son, K.Tamura, J.Mizuki
    • 学会等名
      Lithium Batteries Discussion 2011
    • 発表場所
      Arcachon (France)
    • 年月日
      2011-06-16
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis and Reaction Mechanism Analysis of LiNi_<1/3>Mn_<1/3>Co_<1/3>O_2 Thin-film Electrode Using an in Situ Surface X-ray Scattering Measurement2010

    • 著者名/発表者名
      K.Suzuki, M.Hirayama, K.Kim, M.Komo, R.Kanno, M.Abe, K.Tamura, J.Mizuki
    • 学会等名
      Third International Forum on Multidisciplinary Education and Research for Energy Science
    • 発表場所
      石垣島
    • 年月日
      2010-12-13
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] X線表面散乱法によるLiNi_<1/3>Mn_<1/3>Co_<1/3>O_2電極の表面構造変化その場観察2010

    • 著者名/発表者名
      鈴木耕太, 平山雅章, Kyungsu Kim, 粉生守, 阿部真知子, 菅野了次, 田村和久, 水木純一郎
    • 学会等名
      第51回 電池討論会
    • 発表場所
      愛知県産業労働センター
    • 年月日
      2010-11-11
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Nano-effects in epitaxial LiFePO_4 thin film electrode2010

    • 著者名/発表者名
      K.Suzuki, M.Hirayama, K.Kim, M.Komo, R.Kanno, M.Abe, K.Tamura, J.Mizuki
    • 学会等名
      the 5th Asian Conference on Electrochemical Power Sources
    • 発表場所
      National University of Singapore
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.kanno.echem.titech.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.echem.titech.ac.jp/~kanno/index.html

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

URL: 

公開日: 2010-12-03   更新日: 2024-03-26  

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