焼成雰囲気がおりなす水蒸気アシスト接合の実証と二次電池用多孔質電極創製への応用

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K17917
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小澤 隆弘 大阪大学, 接合科学研究所, 助教 (40734158)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 水蒸気 / 接合 / 多孔体 / 二次電池 / 粒成長 / 焼結

研究実績の概要

本研究では，水蒸気雰囲気下で展開される特異な界面反応に着目し，水蒸気がアシストする異種粒子間接合を実証するとともに，リチウムイオン二次電池の高安定化，高性能化に資する多孔質電極の創製を目的とする。
本年度はまず，幅広い温度領域下で1気圧の水蒸気雰囲気を作り出すことのできる実験装置の作製と並行して，実験で使用する酸化物粒子として，球状の酸化チタンおよび炭酸マンガンの合成をおこなった。1-プロパノール中での硫酸チタン水溶液の加水分解反応により球状の酸化チタンを合成し，焼成することで熱力学的に安定なルチル型酸化チタンを調製した。また，硫酸マンガンと炭酸水素アンモニウムとの水溶液反応により，球状の炭酸マンガンを調製した。
ルチル型の球状酸化チタンを用いて，空気中および水蒸気中での焼成を実施した。得られた生成物の比表面積測定や粒子径分布測定，熱分析等により粉体評価をおこない，基礎的な焼成条件の絞り込みを進めた。また，球状の炭酸マンガン粒子を原料粉体として用いたリチウムイオン二次電池用正極活物質の固相合成を実施した。その結果，水蒸気中では固相反応が促進され，空気中と比較して低温，短時間で目的物が得られることを明らかにした。さらに，水蒸気中での焼成では，生成物粒子同士の接合と粒成長が大幅に加速され，球状を形成していた二次粒子表面および内部での成長速度が空気中とは異なることを見出した。これは，球状粒子を原料粉体に用いたことで如実に現れたものと考えられる。空気中および水蒸気中で得られた粒子の細孔構造に大きな違いが見られ，水蒸気中では粒子の緻密化が急激に進行することを見出した。これらの成果を基に，正極活物質の合成温度の低温化ならびに粒子間接合の制御に関する実験を開始した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画で導入を予定していた電気管状炉が製造中止となり，機種変更を余儀なくされたことに伴い，本年度に実施予定であった酸素同位体を用いた水蒸気焼成の可視化検討を次年度に延期した。その一方で，正極活物質の合成を前倒しで着手することで，次年度に繋がる有用な知見を見出すことができた。本研究で使用する実験装置のセットアップやモデル粒子の調製方法の確立が早い段階で完了したこと，空気中および水蒸気中での酸化チタンの焼成実験，正極活物質の固相合成が効率的に進められたこともあり，おおむね順調に進展していると自己評価できる。本年度得られた成果については一部まとまっており，次年度の学会発表や国際誌への投稿を予定している。

今後の研究の推進方策

平成28年度は，当初の研究実施計画に沿って，酸化チタンを含む様々な酸化物粒子の焼成ならびに焼結をおこない，水蒸気雰囲気下での粒子間接合の実証と接合機構の解明を進める。また，平成27年度に実施予定であった酸素同位体を用いた酸化物表面の可視化を進める。さらに，リチウムイオン二次電池用正極活物質の固相合成に関する実験を継続して実施するとともに，水蒸気雰囲気下での低温焼成による多孔質電極の作製に繋げる。作製した電極はコイン型の電池評価用セルに組み込み，電気化学的な電極評価を進める。本研究課題については，修士課程の学生1名が担当することとなり，研究の加速が見込まれる。