被膜フリー界面構築による卑金属電気化学の革新

• 研究課題/領域番号: 19H02816
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分36020:エネルギー関連化学
• 研究機関: 北海道大学 (2021); 神戸大学
• 研究代表者: 松井 雅樹 北海道大学, 理学研究院, 教授 (70639210)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2020年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2019年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: 卑金属電析 / SEI被膜 / 密着性 / ファセット面 / 卑金属 / 電析 / 結晶成長 / 蓄電池 / 負極 / 金属 / 被膜 / 金属間化合物 / 合金

研究開始時の研究の概要

本研究期間全体では，初年度に還元安定性の高い電解液設計と被膜解析手法の開発を行い，２年目以降に電極表面に生成する被膜の解析を行うことで，電極／電解液界面の描像を明らかにする．さらに，この皮膜フリー界面から析出する金属の結晶成長機構との関係を明らかにする．並行して，SiやSnなどのアルカリ金属と金属間化合物を形成する材料について，その可逆性と被膜との関連についても調査を行う．

研究成果の概要

還元安定性に優れた電解質溶液を用いることで、被膜形成のない環境下で金属リチウムの電析を行い、立方体状に形状の制御されたリチウム金属の電析が可能であることを見出した。さらに、基板に真空蒸着によってリチウム金属薄膜を形成することによって、析出するリチウムの基板への密着性が向上し、緻密で平滑なリチウム金属の析出が可能であることを見出した。さらに、各種金属薄膜を検討した結果、マグネシウム金属を蒸着した場合に、基板面内方向への結晶成長が著しく促進され、緻密で均一かつ平滑なLi金属の電析を実現した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で検討を行ったリチウム金属電析は、金属負極の本質的な課題である、全く同じ形状に繰り返し溶解・析出する反応を実現するための基礎的な検討である。今回の検討で、基板とリチウムとの密着性を向上することにより、緻密かつ平滑なリチウム金属電析が可能であることを確認した。今後、基板とリチウムとの密着性を定量的に比較することで、溶解析出反応を蓄電池に利用するための材料設計の指針を明らかにする予定である。