| 研究課題/領域番号 |
20K05138
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| 研究機関 | 名城大学 |
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研究代表者 |
土屋 文 名城大学, 理工学部, 教授 (90302215)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | リチウム酸化物 / リチウムイオン二次電池 / リチウムイオン移動機構 / 大気型反跳粒子検出法 / リチウム蓄積量 / 液体電解質 / その場測定 / 正極/電解質界面 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、大気雰囲気において液体中のリチウム濃度を約10 nmの深さ分解能で高感度に測定できる反跳粒子検出法を用いて、リチウムイオン(Li+)二次電池の充放電時における電極-液体電解質界面のLi+イオン移動量をその場で測定し、Li+イオン移動機構を解明するとともに、充放電時の電極および電解質内の過渡的なLi蓄積量を定量的に評価する手法を確立することを目的とした。
令和3年度では、既存の装置を用いて、アルミニウム(Al)を集電体、厚さ約107 μmのLiCoO2を正極、Liを負極、LiPF6を液体電解質としたLi電池(Al/LiCoO2|LiPF6|Li/Al)試料を作製した。次に、ポテンショスタットを用いた電気化学測定により、約±40 mAの電流をある時間流して50%充電(SoC 50%)、100%充電(SoC 100%)、50%放電(SoC 50%)および100%放電(SoC 0%)状態におけるLiCoO2正極試料を作製した。
令和2年度に改良した反跳粒子検出(ERD)法によるLi濃度その場分析装置を用いて、各充電後におけるLiCoO2中のLi濃度は、充電時間の増加とともにどの深さに対してもほぼ一定に減少することがわかった。一方、各放電後におけるLiCoO2中のLi濃度は、放電時間の増加とともに増加するが、LiCoO2表面近傍のLi濃度は、バルク中のLi濃度より約33%高く、LiPF6からLiCoO2へのLi+イオンの蓄積が生じることがわかった。また、LiPF6中に含有する約10 ppmのH2O分解によって生成されたHがLiCoO2中に存在することがわかった。LiCoO2中のH濃度は、充電によるLi濃度の減少に伴い増加し、放電によるLi濃度の増加に伴い減少することが判明した。これは、HがLi+イオンのLiCoO2からの脱離によって形成されたLi空孔へ蓄積されると考えられる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
令和3年度では、大学院生および技術職員の協力を得て、既存の装置を用いて、LiCoO2を正極、Liを負極、LiPF6を液体電解質としたLi電池(Al/LiCoO2|LiPF6|Li/Al)試料を作製した。また、令和2年度に改良したイオンビーム分析(反跳粒子検出(ERD)法)装置および超高真空装置を用いて、充放電されたLi電池内のLiCoO2正極材料中のLiおよびH濃度をその場で測定することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和4年度では、令和2および3年度に作製したLi電池試料、絶縁試料ホルダーおよび大気雰囲気用イオンビーム分析(反跳粒子検出(ERD)法)装置を利用して、LiCoO2正極からLi(あるいはC)負極へ、また、Li(あるいはC)負極からLiCoO2正極への電位勾配によりLiPF6液体電解質内を駆動されて流されるLi+イオンの流量をその場で測定するとともに、電気化学測定装置を用いて計測する電流値と比較し、放電時のLi+イオン移動量と電気特性との関連性を調べる。
さらに、第一原理計算により、LiCoO2正極およびLiPF6液体電解質界面近傍のLiおよびHの蓄積占有位置およびLi+イオンの移動軌跡を調べ、大気雰囲気型ERD法によって得られた実験データを解析してLi+イオンの移動機構を明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和2および3年度のLi+イオン二次電池試料作製、試料ホルダーの作製、さらに、大気雰囲気におけるLi電池試料内のLiおよびH濃度分布測定において、予算を執行すること無しに既存の装置をある程度そのままの状態で利用して研究を遂行することができた。
令和4年度では、年度を繰り越した予算を追加して、大気雰囲気で加熱温度および湿度を変化させたときのLiCoO2正極、LiPF6およびLATP Li+イオン伝導性ガラスセラミックス電解質およびLi(あるいはC)負極中のLiおよびHの占有位置およびリチウムイオンの移動軌跡を調べるための第一原理VASP計算コードの権利獲得および恒温恒湿調整装置を購入する予定である。
さらに、本研究において得られた研究成果を日本金属学会、イオニクス討論会、プロトンおよびイオン伝導体、エネルギー・環境に関する国内および国外の学術講演会や国際会議において口頭およびポスター発表を実施するとともに、論文を作成して学術雑誌に投稿する予定である。
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