結晶化度・欠陥制御されたリン酸塩系正極材料の高速充放電反応メカニズム解明

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K14920
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 木須 一彰 東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (80755645)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: リチウムイオン二次電池 / リン酸鉄リチウム / リン酸鉄コバルトリチウム / 欠陥・結晶化度

研究実績の概要

本研究では、リン酸系正極材料に着目し、欠陥および結晶化度が電気化学特性に与える影響を明らかにすることで、電極材料の充放電サイクル寿命向上および充放電速度向上への新たな指針を得ることを目的とした。平成30年度では、オリビン型正極材料LiMPO4（M=Fe, Co）を対象として、結晶内欠陥制御を行い、その電気化学特性を評価することで、結晶内欠陥と電池特性の関係性の解明を行った。
オリビン型リン酸鉄コバルトリチウム正極材料（LFCP）は高い反応電位から高エネルギー密度化が期待される一方、充放電サイクルに伴う容量劣化が課題である。この容量劣化要因解明に向けて、充放電前後におけるXPS分析および結晶構造解析を行うことで、LFCP結晶表面における電解液との不可逆反応による抵抗増大および、LFCP結晶の充放電過程におけるアモルファス化に由来していることが見出された。この容量劣化の抑制に対して、LFCP結晶内欠陥の付与および表面コーティングが効果的であることを明らかにした。さらに、LFCPに含まれるFe組成比および熱処理条件の検討によって、欠陥量および表面コーティングを制御する手法を見出した。本研究では、リン酸系正極材料への欠陥付与の手法を提案し、欠陥制御が電池特性の向上に有効な手段であることを明らかにしており、リチウムイオン二次電池の高性能化において貢献しうる重要な知見と成果が得られたと考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Universite Paul Sabatier/Universite de Nantes(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite Paul Sabatier/Universite de Nantes
• [雑誌論文] Stabilizing the Structure of LiCoPO4 Nanocrystals via Addition of Fe3+: Formation of Fe3+ Surface Layer, Creation of Diffusion-Enhancing Vacancies, and Enabling High-Voltage Battery Operation (2018)
  • 著者名/発表者名: Okita Naohisa、Kisu Kazuaki、Iwama Etsuro、Sakai Yuki、Lim Yiyo、Takami Yusuke、Sougrati Moulay Tahar、Brousse Thierry、Rozier Patrick、Simon Patrice、Naoi Wako、Naoi Katsuhiko
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 30 ページ: 6675～6683
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01965
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Internal resistance mapping preparation to optimize electrode thickness and density using symmetric cell for high-performance lithium-ion batteries and capacitors (2018)
  • 著者名/発表者名: Kisu Kazuaki、Aoyagi Shintaro、Nagatomo Haruka、Iwama Etsuro、Reid McMahon Thomas Homer、Naoi Wako、Naoi Katsuhiko
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 396 ページ: 207～212
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.05.083
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cation-Disordered Li3VO4: Reversible Li Insertion/Deinsertion Mechanism for Quasi Li-Rich Layered Li1+x[V1/2Li1/2]O2 (x = 0?1) (2018)
  • 著者名/発表者名: Rozier Patrick、Iwama Etsuro、Nishio Nagare、Baba Kazuhisa、Matsumura Keisuke、Kisu Kazuaki、Miyamoto Junichi、Naoi Wako、Orikasa Yuki、Simon Patrice、Naoi Katsuhiko
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 30 ページ: 4926～4934
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00721
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 太陽光発電を高効率・有効利用する次世代キャパシタの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩間 悦郎、木須 一彰、直井 和子、直井 勝彦
  • 雑誌名: 日本エネルギー学会機関誌えねるみくす 巻: 97 ページ: 328～334
  • DOI: 10.20550/jieenermix.97.4_328
  • 査読あり
• [学会発表] Intercalation Host Using Defective FePO4-Carbon Composite for Magnesium Rechargeable Battery Cathode (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuki Orikasa, Kazuaki Kisu, Etsuro Iwama, Wako Naoi, Yusuke Yamaguchi, Toshiyuki Munesada, Masashi Hattori, Kentaro Yamamoto, Patrick Rozier, Patrice Simon, Katsuhiko Naoi
  • 学会等名: AiMES 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Magnesium Intercalation Host of Defective FePO4-Carbon Composite (2018)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Yamaguchi, Yuki Orikasa, Kazuaki Kisu, Etsuro Iwama, Wako Naoi , Toshiyuki Munesada, Masashi Hattori, Kentaro Yamamoto, Patrick Rozier, Patrice Simon, Katsuhiko Naoi
  • 学会等名: The 19th International Meeting on Lithium Batteries
  • 国際学会
• [学会発表] FePO4-Carbon Composite Electrode for Calcium Rechargeable Battery Cathode (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshitomo Yamaguchi, Yuki Orikasa, Kazuaki Kisu, Etsuro Iwama, Wako Naoi, Patrick Rozier, Patrice Simon, Katsuhiko Naoi
  • 学会等名: The 19th International Meeting on Lithium Batteries
  • 国際学会
• [図書] 電気化学・インピーダンス測定のデータ解析手法と事例集, 第5節 高エネルギー・高パワー密度化に向けたリチウムイオン二次電池/キャパシタ用多孔質電極の内部抵抗解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木須一彰, 岩間悦郎, 直井勝彦
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: 技術情報協会