| 研究課題/領域番号 |
20K05094
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 群馬工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
太田 道也 群馬工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (40168951)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 高分子小球体 / 膨潤多孔質炭素 / 有機半金属化合物 / 金属ナノ粒子 / 急速熱分解 / 放電容量 / 半金属系ナノ粒子／多孔質炭素小球体負極材料 / 負極電極 / 有機ケイ素化合物 / 有機アルミニウム化合物 / 有機ホウ素化合物 / ナノ粒子 / 熱硬化性樹脂小球体 / メソ孔 / ケイ素ナノ粒子 / Si-Np / リチウム合金化 / 半金属系ナノ粒子 / 多孔質炭素小球体 / 負極材料 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
リチウムと合金化する半金属単体は新規負極材料の候補であるが、電気伝導性が悪く、充放電で微細化して電極に適さない。本研究では、以下の方法で多孔質炭素の細孔に半金属系ナノ粒子を充填した二種類の負極材料を作製し、微細化しない、高容量で急速充電が可能な二次電池を目指す。１）粒子径が1-2μm の熱硬化性樹脂小球体を炭素化したのち膨潤化した炭素粉体と、樹脂小球体中の低分子量成分を除去して炭素化した多孔質炭素小球体の二種類の負極材料を作製する。2)細孔内にケイ素などの半金属系ナノ粒子を充填した多孔質炭素複合体を調製する。３）生成物を負極としてコイン型セルを組立て、電気化学測定によって電池特性を調べる。
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| 研究成果の概要 |
膨潤多孔質炭素に吸着したB、Si、Al系有機金属化合物の急速熱分解によって金属ナノ粒子担持多孔質炭素の調製を検討した。ジクロロジフェニルシランから調製したSi粒子は直径が100 nm未満で表面にSi-O結合が認められた。調製後に熱分解炭素を被覆すると、8 wt%のSi含有試料で初回放電容量が210 mAh/gを示し、その後の放電容量の低下は抑制された。Bの含有は確認されたが粒子の確認は困難であった。Al粒子はナノからミクロンサイズの粒子が炭素粒子表面に観察され、Al-O結合の生成も認められた。本研究によって熱分解炭素で被覆をしたSiナノ粒子担持多孔質炭素が負極材として適しているとの成果を得た。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
１）学術的意義：従来のケイ素(Si)含有負極電極では炭素粉末とSiナノ粒子(SiNP)との混合物を使用して放電容量を高くする方法が多かったが、NPサイズのバラツキと表面の酸化被膜の形成が課題であった。本研究では膨潤多孔質炭素の細孔内でSiNPを調製したのち熱分解炭素被覆を行ったことでバラツキ・炭素との密着性・酸化が抑制され、特性低下の抑制が期待される。
２）社会的意義：従来の黒鉛系負極では最大放電容量が372mAh/gと限界にあるが、リチウム合金を形成するSiNPを内包することで容量と安定性が改善され、急速充電が可能な大型蓄電池としての期待が高まる。
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