研究課題/領域番号 |
20K15324
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研究機関 | 東海大学 |
研究代表者 |
松前 義治 東海大学, 工学部, 助教 (80835869)
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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 | 次世代二次電池 / マイクロ波合成 / 硫化リチウム電池 / クレイ型正極 / リチウム塩 / 硫化カリウム |
研究実績の概要 |
1年目では、マイクロ波の出力や照射時間を精密に制御可能なマイクロ波合成装置を導入した結果、再現性の高い安定した硫化リチウム合成が可能になった。2年目では、原料の検討やマイクロ波合成装置での合成条件の検討、クレイ型電池の確立を目指した。 新たに2種のリチウム塩を使って硫化リチウムの合成(管状電気炉での焼成)に成功した。各リチウム塩に対してそれぞれ最適な焼成条件があることが判明した。これらの結果は、原料の熱力学的なパラメータを利用して作成したエリンガム図から予想される結果と矛盾していなかった。今後の原料検討の際には、文献値からエリンガム図を作成して合成の可能性を検討できると思われる。各原料に対して、マイクロ波照射時間・照射方法・温度制御などの合成条件を変更し最適化することで、マイクロ波合成装置での硫化リチウム合成にも成功した。また、リチウム塩ではなくカリウム塩を使って、K-S用電池正極材料である硫化カリウムを同様の方法で合成できることも明らかにした。リチウムは資源が地理的に偏在しており安定供給に不安が残るレアメタルであるが、資源的に豊富なカリウムはその代替となる電池材料であり、本研究結果はカリウム系材料にも応用可能だとわかった。 マルチチャネルの充放電装置を導入し、クレイ型電池の評価を行った結果、硫黄を使ったクレイ型正極は、従来型正極より高い放電容量を示した(現在は長期サイクル試験中である)。マイクロ波合成した硫化リチウムで作製したクレイ型正極は、市販の硫化リチウムに比べて同等以上の電池性能(放電容量及び容量維持率)を示した。これは、マイクロ波合成時に生成した硫化リチウムと原料である導電性炭素ケッチェンブラックが高温で複合化しており、本来絶縁性である硫化リチウムに、効率的に導電性が付与され、利用率が向上したために生じたと考えられる。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究計画調書において研究目的達成のためのロードマップを示したが、2年目では以下2つの予定で本研究課題を進める予定であった。現状では、全てにおいておおむね計画通りに進行している。 1つ目は、硫酸リチウム以外の原料を使った硫化リチウムのマイクロ波合成である。まずは電気炉焼成にて様々な原料の組み合わせを試し、原料比や合成条件を検討することで現在では原料候補として4種のリチウム塩を見出すことに成功している。エリンガム図を使ってさらなる原料の候補も引き続き選定中である。これらの知見を活かして、種々の原料から硫化リチウムをマイクロ波で合成することにも成功している。またマイクロ波合成では、電気炉焼成時と異なる合成時の最適条件が存在することも見出している。さらには、本研究で得られた知見を応用して、リチウム系のみならずカリウム系正極材料の合成も成功している。 2つ目は、クレイ型正極の確立である。作製の容易なクレイ型硫黄正極を使って作製方法の最適化を行った結果、従来型の硫黄正極と同等の電池性能を示すことがわかっている。クレイ型正極の作製プロセスも確立されつつあり、硫化リチウムを使ったクレイ型電池の作製にも成功している。マルチチャネル充放電装置を導入したことにより効率的に電池試験が行えており、市販の硫化リチウムや、マイクロ波合成した硫化リチウムとの性能差や、原料の違いによる影響も徐々にわかってきている。現在長期サイクルでの電子試験を実行中である。
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今後の研究の推進方策 |
研究計画調書では研究目的達成のためのロードマップを示したが、3年目では、クレイ型電池の確立と、マイクロ波合成した硫化リチウムを使ったクレイ型電池の性能評価、および硫化リチウム電池の性能決定因子解明と産業化可能性評価を行う予定であった。「現在までの進捗状況」にて述べたように、2年目ではおおむね順調に研究が進行したため、基本的には当初の予定通り研究を遂行する。 硫黄をつかったクレイ型正極でクレイ型電池のさらなる高性能化を検討する。導電性材料として用いる炭素材料やクレイ型正極担持体となる材料の選定を行う。またバインダー添加効果を長期サイクル試験と合わせて評価する。様々なリチウム塩を原料に用いてマイクロ波合成した硫化リチウムを電池試験により評価する。各原料による違いや各原料の混合比による違いを、市販の硫化リチウムとの比較を通して検討する。さらに、リチウム系以外の正極材料、例えばカリウム系の酸化物や、硫化カリウムの合成にも引き続き挑戦し、電池適用も目指す。 マイクロ波合成とクレイ型正極の組み合わせにより、従来困難だった硫化リチウム電池の迅速で簡便な性能評価が可能となる為、原料の合成条件や電池の作製条件など種々の条件で電池試験を行い、硫化リチウム電池の性能決定因子を調査する。また、合成にかかる様々なコストも考慮したうえで、最適だと思われる組み合わせを見出し、産業化可能性を探る。得られた成果を用いて学会発表および国際紙への論文投稿を行う予定である。
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次年度使用額が生じた理由 |
充放電装置の購入より研究が順調に進行し、多くの実験を実施することが可能になった。様々な原料を広範囲に検討するうえで、3年目においても新たに多くの試薬が必要なることが見込まれるため、次年度使用額を利用する。
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