オープンセル型ナノポーラスシリコンの開発と長寿命大容量リチウムイオン電池への応用

• 研究課題/領域番号: 25246009
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: ナノ材料工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 加藤 秀実 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80323096)
• 研究分担者: 和田 武 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (10431602) ; 市坪 哲 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40324826)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円); 2016年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2015年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2014年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2013年度: 27,690千円 (直接経費: 21,300千円、間接経費: 6,390千円)
• キーワード: ポーラス材料 / リチウム二次電池 / 負極 / シリコン / デアロイング / リチウムイオン二次電池 / 活物質 / 多孔体 / 多孔質 / 脱成分法 / 負極材料 / ナノ多孔体 / ナノ材料 / 創製プロセス

研究成果の概要

マグネシウムーシリコン合金をビスマス金属溶湯中に浸漬することで、マグネシウムがビスマス浴に優先的に溶出し、残されたシリコン原子がナノポーラス構造を自己組織化する金属溶湯中脱成分現象を発見した。この現象を利用してオープンセル型ナノポーラスシリコンの粉末をトップダウン的に作製することに成功した。これを活物質に用いたリチウム二次電池負極が、現行の炭素系負極の約３倍の重量容量を有し、かつ、１５００回以上の優れたサイクル寿命を有することを明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] Brookhaven National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] INSA deLyon(フランス)
• [国際共同研究] Helmholtz-Zentrum Geesthacht(ドイツ)
• [国際共同研究] Brookhaven National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] INSA de Lyon(フランス)
• [雑誌論文] Cold-rolling influence on microstructure and mechanical properties of NiCr-Ag composites and porous NiCr obtained by liquid metal dealloying (2017)
  • 著者名/発表者名: Morgane Mokhtari; Christophe Le Bourlot; Jer ome Adrien; Sylvain Dancette; Takeshi Wada; Jannick Duchet-Rumeau; Hidemi Kato; Eric Maire
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 707 ページ: 251-256
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.12.105
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Three dimensional analysis of nanoporous silicon particles for Li-ion batteries (2016)
  • 著者名/発表者名: Roiban, Lucian; Koneti, Siddardha; Wada, Takeshi; Kato, Hidemi; et al
  • 雑誌名: MATERIALS CHARACTERIZATION 巻: 124 ページ: 165-170
  • DOI: 10.1016/j.matchar.2016.12.013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enlarging the surface area of an electrolytic capacitor of porous niobium by Mg-Ce eutectic liquid dealloying (2016)
  • 著者名/発表者名: Kim, Joung Wook; Wada, Takeshi; Kim, Sung Gyoo; Kato, Hidemi
  • 雑誌名: SCRIPTA MATERIALIA 巻: 122 ページ: 68-71
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.05.014
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evolution of a bicontinuous nanostructure via a solid-state interfacial dealloying reaction (2016)
  • 著者名/発表者名: Wada, Takeshi; Yubuta, Kunio ; Kato, Hidemi
  • 雑誌名: SCRIPTA MATERIALIA 巻: 118 ページ: 33-36
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.03.008
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Formation of porous layer with low Ni content on NiTi substrate by dealloying in metallic melts (2016)
  • 著者名/発表者名: Kyosuke UEDA, Ryuma HASHIMOTO, Masahiro HIROHASHI, Takeshi WADA, Hidemi KATO, Takayuki NARUSHIMA
  • 雑誌名: 粉体および粉末冶金 巻: 63 ページ: 766-770
  • NAID: 130005253114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of three-dimensional nanoporous Si using dealloying by metallic melt and application as a lithium-ion rechargeable battery negative electrode (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Wada, J. Yamada, H. Kato
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 306 ページ: 8-16
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2015.09.093
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optimizing niobium dealloying with metallic melt to fabricate porous structure for electrolytic capacitors (2015)
  • 著者名/発表者名: J. W. Kim, M. Tsuda, T. Wada, K. Yubuta, S. G. Kim, H. Kato
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 84 ページ: 497-505
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2014.11.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] ひずみ解放機構を有するオープンセル型バルクナノポーラス材料のリチウム蓄電池負極特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 市坪 哲、和田 武、加藤 秀実
  • 雑誌名: 工業材料 巻: 3 ページ: 38-44
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bulk-nanoporous-silicon negative electrode with extremely high cyclability for lithium-ion batteries prepared using a top-down process (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Wada, T. Ichitsubo, K. Yubuta, H. Segawa, H. Yoshida, H. Kato
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 14 号: 8 ページ: 4505-4510
  • DOI: 10.1021/nl501500g
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] リチウムイオン蓄電池負極用大比表面積オープンセル型ポーラスシリコン粉末の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 和田 武、市坪 哲、湯葢 邦夫、吉田 浩一、瀬川 春彦、加藤 秀実
  • 雑誌名: 化学工業 巻: 65 ページ: 25-32
  • 謝辞記載あり
• [学会発表] Fe-Ni 単結晶前駆合金のMg 溶湯中での脱合金化反応およびポーラス構造発達過程 (2016)
  • 著者名/発表者名: 齋藤樹里, 和田武, 湯葢邦夫, 加藤秀実
  • 学会等名: 第132回 金属材料研究所 講演会
  • 発表場所: 東北大学 金属材料研究所
  • 年月日: 2016-11-24
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法を用いた多孔質金属の作製およびリチウム空気電池用バインダーフリー空気極への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森下史弥, 加藤秀実, 和田武, et al.
  • 学会等名: 第132回 金属材料研究所 講演会
  • 発表場所: 東北大学 金属材料研究所
  • 年月日: 2016-11-24
• [学会発表] 金属溶湯中の脱成分現象を利用した金属ガラス複合材料の作製とポーラス金属への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤秀実
  • 学会等名: 日本材料学会金属ガラス部門委員会第３９回研究会
  • 発表場所: 山口宇部
  • 年月日: 2016-11-18
  • 招待講演
• [学会発表] Preparation of nanoporous base metals by dealloying in metallic melt and their application for energy related materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeshi WADA, Hidemi KATO
  • 学会等名: 2016 Russia-Japan Conference "Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructure
  • 発表場所: ロシア・ノヴォシビリスク
  • 年月日: 2016-10-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Graphitization and Activation of Open-Cell Type Porous Carbon Prepared by Dealloying in Metallic Melt (2016)
  • 著者名/発表者名: Won Young PARK, Hidemi KATO, Takeshi WADA, Seung-Geun YU
  • 学会等名: 2016 Russia-Japan Conference "Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructure
  • 発表場所: ロシア・ノヴォシビリスク
  • 年月日: 2016-10-30
  • 国際学会
• [学会発表] Preparation of 3D Nanoporous Si by Dealloying in Metallic Melt and its Application of Lithium Ion Rechargeable Battery Negative Electrode (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeshi WADA, Hidemi KATO
  • 学会等名: The 1st International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-1)
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] Graphitization and Activation of Open-Cell Type Porous Carbon Prepared by Dealloying in Metallic Melt (2016)
  • 著者名/発表者名: Won Young PARK, Hidemi KATO, Takeshi WADA, Seung-Geun YU
  • 学会等名: The 1st International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-1)
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] Preparation of Porous Metal by Dealloying in Metallic Melt and its Application to the Binder-Free Cathode for Rechargeable Li-Air Battery (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumiya MORISHITA, Hidemi KATO, Takeshi WADA, et al
  • 学会等名: The 1st International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-1)
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] 金属溶湯中の脱成分現象を用いた金属ガラス複合材料の作製とポーラス金属開発への展開 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤秀実, 和田武
  • 学会等名: 日本材料学会第２回材料WEEK
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2016-10-11
  • 招待講演
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法により作製したドープナノポーラスSiの形態とリチウムイオン電池性能との関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山田純平, 加藤秀実, 和田武
  • 学会等名: 日本金属学会2016年秋期大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-09-21
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法を用いたポーラス卑・半金属の作製とそのエネルギーデバイスへの応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤秀実, 和田武
  • 学会等名: 日本金属学会2016年秋期大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-09-21
  • 招待講演
• [学会発表] 金属ガラスのナノスケール不均質性と機械的性質 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤秀実, 市坪哲
  • 学会等名: 日本金属学会2016年秋期大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-09-21
  • 招待講演
• [学会発表] 単結晶前駆合金の金属溶湯脱合金化反応およびポーラス構造発達過程 (2016)
  • 著者名/発表者名: 齋藤樹里, 加藤秀実, 和田武, 湯葢邦夫
  • 学会等名: 日本金属学会2016年秋期大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-09-21
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法を用いて作製したオープンセル型ポーラス炭素と黒鉛化および賦活処理に伴う特性変化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 朴元永, 兪承根, 加藤秀実, 和田武
  • 学会等名: 日本金属学会2016年秋期大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-09-21
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法により作製したドープナノポーラスSi の形態とリチウムイオン電池性能との関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山田純平, 加藤秀実, 和田武
  • 学会等名: 早稲田大学ナノ・ライフ創新研究開発機構 連携協定締結記念シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学 金属材料研究所
  • 年月日: 2016-09-01
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法を用いたオープンセル型ポーラス金属の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 和田武, 加藤秀実
  • 学会等名: 学際・国際的高度人材育成ライフイノベーションマテリアル創製共同研究プロジェクト平成28 年度キックオフ公開討論会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2016-07-08
• [学会発表] Preparation of nanoporous less noble metals by solid-state interfacial dealloying reaction (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeshi WADA, Kunio YUBUTA, Hidemi KATO
  • 学会等名: 23rd International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM2016)
  • 発表場所: 奈良
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] Microstructure characterization along the process of nanoporous metal made by alloying in metalic melt bath by Xray tomography and SEM-EBSD (2016)
  • 著者名/発表者名: Morgane MOKHTARI, Hidemi KATO, Takeshi WADA, et al
  • 学会等名: 23rd International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM2016)
  • 発表場所: 奈良
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] Three-Dimensional bicontinuous porous carbon generated in low temperature metallic liquid (2016)
  • 著者名/発表者名: Seung Geyn YU, Hidemi KATO, Takeshi WADA
  • 学会等名: 23rd International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM2016)
  • 発表場所: 奈良
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] Reaction Design for Mg-Based Metallic Glass with In Situ Ti Dispersoids, and Its Development to Macro-Porous Base/Half Metals (2016)
  • 著者名/発表者名: Hidemi KATO, Takeshi WADA
  • 学会等名: 23rd International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM2016)
  • 発表場所: 奈良
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Preparation of doped-nanoporous silicon by dealloying in metallic melt and its application to the negative electrode for lithium-ion batteries (2016)
  • 著者名/発表者名: Junpei YAMADA, Hidemi KATO, Takeshi WADA
  • 学会等名: Summit of Materials Science 2016(SMS2016)
  • 発表場所: 東北大学 金属材料研究所
  • 年月日: 2016-05-18
  • 国際学会
• [学会発表] 金属溶湯中での脱成分現象を利用した金属ガラス複合材料の作製とポーラス材料への展開 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤 秀実、和田 武
  • 学会等名: 2016 日本金属学会春期講演大会
  • 発表場所: 東京理科大学
  • 年月日: 2016-03-23
  • 招待講演
• [学会発表] Nanoporous Metals by Dealloying in Metallic Melt and Their Application for Energy (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kato
  • 学会等名: ICFMFEI2015
  • 発表場所: ロシア・ノヴォシビリスク
  • 年月日: 2015-09-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属溶湯デアロイングにより作製したナノポーラスシリコンのリチウムイオン電池電極特性と電極体積変化の関係 (2015)
  • 著者名/発表者名: 和田 武、山田 純平、加藤 秀実
  • 学会等名: 2015 日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Preparation of nanoporous silicon by dealloying in metallic melt and its application to the negative electrode for lithium-ion batteries (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Wada, T. Ichitsubo, K. Yubuta, H. Segawa, H. Yoshida, H. Kato
  • 学会等名: ISMANAM2015
  • 発表場所: フランス・パリ
  • 年月日: 2015-07-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属溶湯デアロイングによるナノポーラスシリコンの構造制御とそのリチウムイオン二次電池特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 和田武、加藤秀実
  • 学会等名: 日本金属学会春期講演大会２０１５
  • 発表場所: 東京大学駒場キャンパス
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [学会発表] 金属溶湯中脱成分法による三次元ナノポーラスシリコンの作製とそのリチウムイオン電池負極特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 和田武、市坪哲、湯葢邦夫、瀬川春彦、吉田浩一、加藤秀実
  • 学会等名: 第５５回電池討論会
  • 発表場所: 国立京都国際会館
  • 年月日: 2014-11-19 – 2014-11-21
• [学会発表] 金属溶湯デアロイングによるポーラスシリコンの作製とそのリチウムイオン電池負極特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 和田武、市坪哲、湯葢邦夫、瀬川春彦、吉田浩一、加藤秀実
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会（１５５回）
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法を用いて作製した多孔質Fe-Crの多孔質構造に及ぼす添加元素の効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 津田雅史、和田武、加藤秀実
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会（１５５回）
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] 金属溶湯脱成分法を用いた3Dバルクポーラス黒鉛の作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 兪承根、和田武、加藤秀実
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会（１５５回）
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] 金属溶湯デアロイング法によるナノポーラスシリコンの作製 (2013)
  • 著者名/発表者名: 和田 武
  • 学会等名: 日本金属学会2013年度秋期講演大会（第153回）
  • 発表場所: 金沢大学
• [図書] 全固体電池のイオン伝導性向上技術と材料、製造プロセスの開発 第7章1節 251貢－257貢 (2017)
  • 著者名/発表者名: 和田武、加藤秀実、市坪哲
  • 総ページ数: 475
  • 出版者: 株式会社 技術情報協会
• [備考] リチウムイオン蓄電池負極用大比表面積オープンセル型ポーラスシリコン粉末の開発
  • URL: http://www.imr.tohoku.ac.jp/ja/info/results/2014.html