| 研究課題/領域番号 |
19K05654
|
|---|
| 研究機関 | 宮崎大学 |
|---|
研究代表者 |
酒井 剛 宮崎大学, 工学部, 教授 (40284567)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | 水酸化ニッケル / コバルト / マグネシウム / 充放電特性 |
|---|
| 研究実績の概要 |
ニッケル系二次電池の正極材料として用いられるベータ型水酸化ニッケルは、過充電などにより、ガンマ型オキシ水酸化ニッケルに変化するいわゆるガンマ化が起こることがある。ガンマ型水酸化ニッケルはベータ型に比べて不安定なため、容易にアルファ型水酸化ニッケルに相変化し、正極特性が劣化する。一方、水酸化ニッケルの合成時にニッケルの一部を3価～4価の第二成分で置換するとアルファ型水酸化ニッケルが合成できることが報告されている。申請者らは、ニッケルの一部をコバルトで置換するとコバルト含量10%～20%でアルファ型が得られることを明らかにしている。本研究では、コバルト添加でアルファ化する条件で、アルファ化が抑えられる元素、すなわちベータ型の安定化に有効な第三成分置換元素の探索を行った。特に、ベータ型の安定化には2価カチオンが有効と考え、マグネシウム、亜鉛を中心に検討を行った。その結果、Mg、Znをそれぞれ5%添加すると、主にベータ型Ni(OH)2相を示すピークを示したが、Mg置換試料では、ベータ型ピーク位置付近にブロードなピークを示したのに対し、Zn置換試料ではアルファ型水酸化ニッケルに帰属されるピークが認められた。この結果から、アルファ化が抑制可能な元素としてMgが有望であることを見出した。また、Mg添加試料の電極特性を調べたところ、Mg置換試料の酸化還元反応の進行が円滑であることがわかった。さらに、充放電特性を調べた結果、Mg置換によって、充放電容量が約10%増加し、容量を有効活用できる可能性が示唆された。
結晶構造から判断してMg置換によりアルファ型化が抑制され、ベータ型の安定化に効果が認められた。Mgで置換した試料の電気化学特性を調べたところ、酸化還元反応が円滑に進行し、容量の有効活用に効果的であることが示唆された。
|
| 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
本研究の申請書には、「初年度（平成31年度）は、高アスペクト比を有する水酸化ニッケルヘキサゴナルシリンダー創製のための、溶媒（分散媒）、添加物、および調製条件の探索を中心に、X線回折法による結晶構造解析、比表面積・細孔容積・細孔分布等の物性評価および赤外分光法（IR）による物性評価を行う。」と計画を立てた。その計画に従って、85%NiCl2-10%CoCl2-5%MCl2(M=Mg、Zn)の混合水溶液を加水分解して得た試料の結晶構造から判断してMg置換によりアルファ化が抑制され、ベータ型の安定化に効果が認められた。また、比表面積も調製直後の試料の比表面積に比べて120℃水熱処理試料の比表面積はわずかに増加し、200℃水熱処理試料の比表面積は、結晶化にともなって大幅に低下することを明らかにしており、当初予定していた計画で研究を進めることができた。
|
| 今後の研究の推進方策 |
令和32年度以降は継続して材料の合成を行うとともに、高アスペクト比を有する水酸化ニッケルヘキサゴナルシリンダーの調製条件を確立し、充放電特性を主とする電気化学特性を評価する。すでに、水熱処理によってアスペクト比7（通常結晶に比べて7倍c軸に配向成長した粒子）が得られることを見出しており、構造制御の端緒を開いている。この配向成長は、溶媒熱処理時の分散媒へのニッケルの溶解と再析出機構によると考えられる。特に錯体形成を経由する機構の可能性が高いことから、中間生成物としての錯体の構造を申請設備の紫外可視分光光度計を用いて明らかにする。
さらに、異種元素置換による水酸化ニッケルの合成法に取り組んだところ、ニッケルサイトを配位数の異なるZnなどのⅡ価の元素で置換すれば、選択的にc軸配向結晶成長したシリンダー型構造体がかなりの高確率で合成できることを見出した。ただし、初年度の検討結果から、Znでは結晶構造の安定化が難しいため、新たに見出したMg置換によって結晶構造が安定化される効果を組み合わせてアスペクト比が大きな六角柱状シリンダー型水酸化ニッケルのナノ構造体の合成方法を確立する。
|
