• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2016 年度 実施状況報告書

トップダウン製法による薄片状Siナノ粒子の高容量リチウムイオン電池負極への展開

研究課題

研究課題/領域番号 16K05935
研究機関九州大学

研究代表者

長谷川 丈二  九州大学, 工学研究院, 助教 (60726412)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードリチウムイオン二次電池 / シリコン / カーボン被覆 / ビーズミル
研究実績の概要

シリコン切粉を、粉砕することで得られたシリコンナノ粒子に、様々な厚みの炭素被覆を施し、その電気化学的リチウムイオン吸蔵特性についての知見を得た。
シリコンナノ粒子へのカーボン被覆は、エチレンガス気流中における焼成により行った。焼成時間を変化させることにより、カーボン被覆膜の厚みを変化させることができた。被覆量は、シリコン粒子の大きさにも依存するが、電子顕微鏡観察により、カーボン被覆量が10 wt%程度の場合、約4 ~5 nmのほぼ均一な厚さのカーボン膜がシリコン粒子表面に被覆されることが明らかとなった。異なる炭素被覆量(C/Si比)のシリコンナノ粒子を作製し、その電気化学的評価を行った結果、C/Si=10 wt%以上では、そのサイクル特性にほとんど変化が見られなかった。炭素量が増加すると、電極あたりのシリコン密度が減少するため、容量が低下することから、炭素被覆量を10 wt%に固定し、実験を進めることとした。この電極は、電流密度1800 mA/gで100回の充放電サイクル後においても、1500 mAh/g以上の容量を維持していた。
粉砕過程におけるビーズの粒径を小さくすることで、シリコンナノ粒子サイズを小さくすることが可能である。異なるサイズの炭素被覆を施したシリコンナノ粒子の電極特性の評価を行った結果、結晶子径を小さくすると、放電容量は減少するが、サイクル特性が向上する傾向が見られた。これは、小さなシリコンナノ粒子は、比表面積が大きく自然酸化膜の重量割合が大きいため、容量が減少する一方、Liの挿入脱離による体積変化が緩和されることによる効果であると考えられる。

現在までの達成度 (区分)
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

産業廃棄物であるシリコン切粉を粉砕することにより得た、シリコンナノ粒子の粒径制御を行い、さらにシリコンナノ粒子表面に均一な炭素被覆膜を導入する手法を確立した。また、粒子サイズおよび炭素被覆量の異なるシリコンナノ粒子のリチウム二次電池電極としての性能評価を行い、これらのパラメーターの最適化を行った。これらは、研究の計画段階において、研究の初年度に達成する予定の課題であり、従って研究は予定通り進展している。

今後の研究の推進方策

充放電時のSiの体積変化が非常に大きいため、実用的なリチウムイオン電池電極と同程度の膜厚のSi電極では、充放電時にSiの集電体からの剥離が著しく、実際には使用できない。実際、本研究で作製した炭素被覆シリコンナノ粒子も電極の厚みを増加させると、サイクル特性が著しく低下する傾向が見られた。そこで、現在利用されている黒鉛と、トップダウン手法により作製したSiナノ粒子を複合化させることで、実際に使用可能なリチウムイオン二次電池負極の開発を試みる。混合する黒鉛の割合の最適化に加え、ボールミルなどの混合法の検討も行う。また、黒鉛を超える容量を示すアモルファスカーボンとの複合化も併せて試みる。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件) 図書 (1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Highly Flexible Hybrid Polymer Aerogels and Xerogels Based on Resorcinol-Formaldehyde with Enhanced Elastic Stiffness and Recoverability: Insights into the Origin of Their Mechanical Properties2017

    • 著者名/発表者名
      George HASEGAWA, Taiyo SHIMIZU, Kazuyoshi KANAMORI, Ayaka MAENO, Hironori KAJI, Kazuki NAKANISHI
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 29 ページ: 2122-2134

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.6b04706

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Studies on Electrochemical Sodium Storage into Hard Carbons with Binder-Free Monolithic Electrodes2016

    • 著者名/発表者名
      George HASEGAWA, Kazuyoshi KANAMORI, Naokatsu KANNARI, Junichi OZAKI, Kazuki NAKANISHI, Takeshi ABE
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 318 ページ: 41-48

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2016.04.013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Infiltrated Porous Oxide Monoliths as High Lithium Transference Number Electrolytes2016

    • 著者名/発表者名
      Jelena POPOVIC, George HASEGAWA, Igor MOUDRAKOVSKIA, Joachim MAIER
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 4 ページ: 7135-7140

    • DOI

      10.1039/c6ta01826b

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hierarchically Porous Carbon Monoliths Comprising Ordered Mesoporous Nanorod Assemblies for High-Voltage Aqueous Supercapacitors2016

    • 著者名/発表者名
      George HASEGAWA, Kazuyoshi KANAMORI, Tsutomu KIYOMURA, Hiroki KURATA, Takeshi ABE, Kazuki NAKANISHI
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 28 ページ: 3944-3950

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.6b01261

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] モノリス状活性炭の細孔構造制御とヘテロ原子の導入2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川丈二
    • 学会等名
      活性炭技術研究会 第160回講演会
    • 発表場所
      大阪市立工業研究所
    • 年月日
      2017-03-24
    • 招待講演
  • [学会発表] プレセラミックポリマーの細孔構造制御と種々の多孔質材料への変換2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川丈二
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 2017年年会 サテライト03「若手研究者が切り拓くハイブリッド材料」
    • 発表場所
      日本大学
    • 年月日
      2017-03-17
    • 招待講演
  • [学会発表] Fabrication of Hierarchically Porous Carbon Monoliths with Ordered Mesopores for Energy Storage2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川丈二、金森主祥、中西和樹
    • 学会等名
      Fifth International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials
    • 発表場所
      リスボン(ポルトガル)
    • 年月日
      2017-03-07
    • 国際学会
  • [学会発表] Comparison of Cycle Performances of Si Nanoparticle-containing Li-ion Battery Anodes Hybridized with Various Carbon Materials2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川丈二
    • 学会等名
      Fifth International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials
    • 発表場所
      リスボン(ポルトガル)
    • 年月日
      2017-03-06
    • 国際学会
  • [学会発表] 炭素材料における 階層的多孔構造の構築2016

    • 著者名/発表者名
      長谷川丈二、金森主祥、中西和樹
    • 学会等名
      第43回炭素材料学会年会
    • 発表場所
      千葉大学
    • 年月日
      2016-12-09
  • [学会発表] 多孔質ハードカーボンの 電気化学的Naイオン吸蔵特性2016

    • 著者名/発表者名
      長谷川丈二、金森主祥、中西和樹、安部武志
    • 学会等名
      学振第117委員会 第318回研究会
    • 発表場所
      産業技術総合研究所 臨海副都心センター
    • 年月日
      2016-07-22
    • 招待講演
  • [図書] Handbook of Solid State Chemistry: 4. Nano and Hybrid Materials, Chapeter 18 Sol-Gel Processing of Porous Materials2017

    • 著者名/発表者名
      Kazuki NAKANISHI, Kazuyoshi KANAMORI, Yasuaki TOKUDOME, George HASEGAWA, Yang ZHU
    • 総ページ数
      47
    • 出版者
      Wiley-VCH
  • [備考] 九州大学大学院 工学研究院 応用化学部門(機能) 応用無機化学研究室ホームページ

    • URL

      http://www.cstf.kyushu-u.ac.jp/~hayashilab/

  • [備考] 九州大学 研究者情報

    • URL

      http://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K006479/index.html

  • [備考] ResearcherID

    • URL

      http://www.researcherid.com/rid/A-1653-2014

URL: 

公開日: 2018-01-16  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi