マイクロバブルによる多発核生成反応を用いた微細粒子合成

• 研究課題/領域番号: 21K04911
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分30010:結晶工学関連
• 研究機関: 八戸工業高等専門学校
• 研究代表者: 門磨 義浩 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (90431460)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: マイクロバブル / 核生成反応 / 電極材料 / マンガン酸化物 / 微細粒子

研究開始時の研究の概要

リチウム-空気二次電池は、高い理論容量を有することから次世代高エネルギー密度二次電池として期待されている。この高い容量を実用的な使用条件下で実現するためには、電極反応を効率的に行うことが重要である。効率向上の方法のひとつとして、粒子の微細化による反応場の増大があげられる。これまで微細粒子の合成には様々な方法が提案されてきたが、本研究では、低コストで簡便なマイクロバブルを用いたマンガン系酸化物の合成に着目した。本手法導入することで、同時多発的な核生成反応を利用してナノポーラス化した微細粒子を合成し、物性を評価する。これらにより次世代リチウム-空気二次電池電極材料の設計指針を得ることを目指す。

研究成果の概要

新規電極材料の合成手法として、マイクロバブルを用いた手法を取り入れ、合成した試料の電極特性を検討した。マイクロバブルを用いることで同時多発的に核生成反応を引き起こすことができ、粒子の微細化、均一化が期待できる。
マイクロバブルを用いて、マンガン酸化物系の電極材料を合成することに成功し、均一な粒子を得ることができた。また、マンガンの一部を置換した試料も合成することが出来た。合成した試料は、良好な電極特性を示すことが分かった。これは、粒子の均一化による電極抵抗の減少に起因することが示唆された。新規材料合成手法として、マイクロバブルを用いた合成手法の有用性を示すことができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

電極材料の合成にはこれまで、様々な手法やが用いられ、詳細な組成の検討がなされてきた。そのような状況の中で、マイクロバブルを合成手法に取り入れることにより、同時多発的に核生成反応を起こし、試料を微細化、均一化することができた。また、この手法は溶液法を主体としており、試料の組成制御や大量合成化にも対応可能である。マイクロバブルを用いた手法が確立されれば、スケールアップも比較的容易であることから、量産化および低コスト化が期待できる。これにより、これからの電池の大型化向けた、材料供給に関わる需要にも貢献可能となる。