| 研究課題/領域番号 |
16H04523
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
熊倉 浩明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 特命研究員 (90354307)
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| 研究分担者 |
長谷川 明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, グループリーダ (20354326)
野村 晃敬 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 研究員 (30746160)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | カーボンコート / 放電容量 |
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| 研究実績の概要 |
電極材料としてLiFePO4を選び、これまでの予備実験（科研費以前）における粒径数マイクロメートルのLiFePO4粉末をボールミルにて～1マイクロメートルの粉末に粉砕した。粒径が小さくなったことに対応して粉末の表面積が増大するので、それに対応して電極粉末と混合するコロネン量を1wt%から6wt%に増大させ、石英管に真空封入して700oCで1時間の熱処理を行った。得られた混合粉末を透過電顕にて観察したところ、アモルファス層が電極粉末表面に形成されているのがわかり、元素分析からこれはカーボン層と判明したが、その厚さは3-4nmレベルで予備実験の時よりもやや厚いことがわかった。また、カーボンによって電極粉末同士が結合して大きな塊となっているものが予備実験の時よりも頻繁に観察されただけでなく、電極粉末の間にもアモルファス状のカーボンがかなり頻繁に存在することも判明した。さらに、一部の電極粉末粒にはカーボンコート層が剥がれおちている様子も観察された。この電極粉末を使って作製した電池においては、放電容量がカーボンコート無しの電極材をつかった場合の約10倍に向上したが、これは予備実験の時の放電容量の改善（8倍程度）に比べて少しだけ大きいレベルであり、電極粉末の微細化の効果が十分に得られていないことがわかった。また、カーボンコート層が厚いにも関わらず予備実験の時に比べて電池の抵抗がかなり大きいことも判明した。これについては、透過電顕観察で見られた電極粉末の結合や単独で存在するカーボンが影響していると考えられる。
以上より、添加するコロネン量によってカーボンコート層の厚さのみならず、電極粉末の結合や単独に存在するカーボン量も変化することがわかり、これらが電池特性に大きく影響すると考えられ、これらのことがらも考慮に入れたコロネン添加量の最適化が重要であることがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
平成28年度は、正電極粉末に添加するコロネン量を種々に変化させて実験を行う予定であり、まずコロネン量の多い6wt%の添加を試みた。その結果、1wt%添加の時よりも厚いアモルファスカーボン層が各ボロン粉末粒子の表面に形成されることを確認したが、同時に正電極粉末同士がカーボンによって結合するとともに、電極に付着していないアモルファス状のカーボンがかなりの量存在することもわかった。また、このカーボンコート電極材を用いてLiイオン電池を作製し、放電容量を測定したところ、カーボンコートによる放電容量の増大が認められたが、電池の抵抗がかなり大きいことも判明し、電池として問題のあることがわかった。この大きな電気抵抗については、電極粉末に付着しないで単独で存在しているカーボンの影響であると考えられた。このような予期しなかった電極粉末粒子の結合や単独で存在するカーボンについての解析を行うのに時間がかかり、最近になってようやくコロネン添加量を変化させた電極粉末を作製することが出来た。現在はこの電極を用いて電池の作製を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、昨年度に実験を進めたLiFePO4電極材料に対して、コロネン添加量を系統的に変化させて炭素コートを試みる。得られた炭素コート電極粉末を用いて電池を作製して特性を評価し、コロネン添加量と炭素コート膜厚や粒同士の結合、残留カーボン、ならびに電池特性との関係を調査し、最適炭素コートへの足掛かりとする。
(1) 電極材料の炭素コーティング 初めに市販の電極材料粉末をボールミルにより粉砕して微細化を図る。ボールミルした電極材料粉末とC24H12を混合し、ガラス管に真空封入してC24H12の分解温度以上で熱処理する。カーボンコート膜の厚さは、仕込みの時の電極粉末とC24H12の比率を変えることで制御できると期待されるので、電極材料粉末とC24H12の比率を系統的に変化させて真空封入を行う。また、熱処理の温度や時間を様々に変化させて炭素コート層を生成させる。
(2)炭素コート電極粉末の構造解析、評価 炭素コートした電極粉末の微細構造は、透過電顕ならびにX線回折により、炭素コートしない電極粉末と比較して評価する。透過電顕観察では、特に炭素コートの層厚とその均一性ならびにコート層の構造を調べ、炭素コート層厚の仕込み組成依存性を詳細に調べるとともに元素分析を行う。また、粒同士の結合や電極材にコートされないで電極粉末の間に存在している残留カーボンの形状や量、ならびにこれらのC24H12添加量依存性にも注目して解析を行う。
(3)Liイオン電池の試作と評価 (1)で得られた種々の炭素コート電極粉末を用いてLiイオン電池を作製し、充・放電容量、充・放電レート、及びサイクル寿命などの性能を評価し、電池特性のC24H12添加量依存性について考察する。また、残留カーボンの電池特性への影響についても調べる。これらの解析結果に基づき、C24H12の最適添加量について検討する。
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