リチウムイオン電池における層状シリコン負極の反応制御およびその反応機構の解明

• 研究課題/領域番号: 23K21150
• 補助金の研究課題番号: 21H02054 (2021-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2021-2023)
• 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: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 唐 捷 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, 特命研究員 (80354158)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 採択後辞退 (2024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); 2025年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2024年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: リチウムイオン電池 / 層状シリコン / コンポジット電極 / 電極反応メカニズム / 層状シリコン負極 / チウムイオン電池 / 反応制御 / 反応機構

研究開始時の研究の概要

リチウム(Li)イオン電池で、シリコン(Si)は、大きな充放電容量をもつ負極材料であり、多くの研究が行われている。しかし、充放電過程での大きな体積膨張(300-400%)の問題がある。しかし、我々が開発したSi-炭素（C）層状複合化合物電極では、このような体積膨張が著しく抑えられることが見出された。これは、従来のSiとLiとの合金化反応と異なる反応の可能性を示唆している。しかしその詳細はまだ明らかではない。本研究では、実用化を目的とした高性能な層状Si負極材を開発するとともに、充放電過程で起こりうる吸着・脱着反応、置換反応、インターカレーション反応を分離し、層状Si負極材の電極反応メカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

本研究の目的は、i) リチウムイオン電池における層状シリコン負極の電極反応メカニズムを明らかにし、ii) 高性能シリコン負極材を開発する、ことである。本研究によって、従来の合金化反応(LixSiの生成)と電極反応の解明と、実用化に向けたシリコン負極材の開発が期待できる。
令和5年度の研究実績の概要は以下の通りである。
研究目的の達成に当たっては、膜厚を制御した層状シリコン(規格化した層状シリコン)の作製の成否が鍵となる。課題申請者らは、昨年度までに、従来のイオン交換の手法ではなく、CaSi2溶液中に直接炭酸ガス導することで、層状シリコン作製の手法を開発した。
令和5年度、本作製では、溶液濃度を変えることで、シリコン層厚さを数原子層単位で制御することが可能であることがわかった。さらに、層状シリコンとグラフェンの積層コンポジット電極作製においても独自の手法を開発した。すなわち、水溶液のpHを調整することによって、層状シリコンとグラフェンオキサイド(GO)のヘテロ凝集コロイドを合成することで、上記積層コンポジットの作製に成功した。本積層コンポジットを負極に用いたリチウムイオン電池の特性は高い耐久性を示した。例えば、電流密度0.3 A/gで450サイクル後でも約800 mAh/gの放電容量を保持していた。研究では、充放電反応前後での積層コンポジット負極の化学的、構造的変化を調べた。TEM及びSEM観察では、充放電前後のコンポジットの微細構造において顕著な違いは見られなかった。これは、充放電反応によるシリコン層の体積膨張が抑制されていることを示唆していた。XRD、Ramanスペクトル、及びXPS測定では、LixSiの生成といった反応は確認できなかった。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Biomineralization-inspired: rapid preparation of a silicon-based composite as a high-performance lithium-ion battery anode (2021)
  • 著者名/発表者名: Runsheng Gao, Jie Tang, Shuai Tang, Kun Zhang, Kiyoshi Ozawa and Lu-Chang Qin
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A, 巻: 9 号: 19 ページ: 11614-11622
  • DOI: 10.1039/d1ta01919h
  • 査読あり / 国際共著