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2023 年度 実施状況報告書

Si系Li-ionキャパシタの劣化機構に基づいた高耐久性Si負極の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K13319
研究機関日本大学

研究代表者

江口 卓弥  日本大学, 工学部, 助教 (40965373)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
キーワード蓄電デバイス / リチウムイオンキャパシタ / Si負極
研究実績の概要

従来のリチウムイオンキャパシタでは、負極材料を銅はく上に厚く堆積させて、正極材料に対する負極材料の量を相対的に増やすことで、サイクル寿命の改善が図られている。しかし、シリコン堆積層を厚くすると、個々のシリコン粒子の膨張収縮が不均一になり、かえって負極の機械的変形を増長させると予測し、異なる厚さの堆積層を有するシリコン負極を製造した。シリコンには安価な粒径2.0マイクロメートルを使用し、ポリイミド系バインダーと導電助剤を混合して塗工器を調整して異なる厚さの堆積層を有するシリコン負極を製造した。正極には一般的な活性炭(比表面積:~1700m2/g)を活物質とした活性炭電極を採用した。それらを組み込んだリチウムイオンキャパシタの電気化学特性を評価した。
堆積層の厚みがシリコン粒子の5倍の10マイクロメートルと非常に薄いシリコン負極を用いたリチウムイオンキャパシタが最も長いサイクル寿命を示した。そのサイクル寿命は3万回の充放電サイクル後でも、初期のエネルギー密度に対して78.3%のエネルギー密度を維持していた。また、およそ1 kW/kgの出力密度においても、100Wh/kgに近いエネルギー密度が得られており、高出力密度でも高いエネルギー密度を示した。シリコンの場合、個々の粒子を密に堆積させて、1粒子あたりの負担を軽減するより、1粒子あたりの負担を増加させても、電極構造の崩壊を抑制する方が、長寿命化には効果的であることが分かった。また、堆積層が薄いと電極材料そのものが少なくなるため、必然的にエネルギー密度と出力密度も向上した。

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

シリコン負極を用いたリチウムイオンキャパシタにおいて、シリコン負極の堆積層を薄くすることでサイクル寿命が向上し、3万サイクル後でエネルギー密度を78.3%維持できるリチウムイオンキャパシタを作製した。また、シリコンの場合、個々の粒子を密に堆積させて、1粒子あたりの負担を軽減するより、1粒子あたりの負担を増加させても、電極構造の崩壊を抑制する方が、長寿命化には効果的であることが分かった。そのため、おおむね順調に進行していると判断した。

今後の研究の推進方策

おおむね研究計画通りに研究を進めて行く。エネルギー密度を犠牲にすることがない手段でのさらなるサイクル寿命の向上に取り組む。サイクル寿命向上のためには電極構造の崩壊を抑制する方が長寿命化には効果的であることが分かった。一方で、粒径2.0マイクロメートルのシリコンを現状よりも薄く塗工することは困難である。そのため、電極の機械的特性の向上によるサイクル寿命の長寿命化、または、ナノシリコンを用いた電極の薄化を図る。

次年度使用額が生じた理由

事前の見積と僅かに金額が異なったため、次年度の研究で使用する電極材料費として使用する。

  • 研究成果

    (2件)

すべて 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (1件)

  • [雑誌論文] Effect of Si layer thickness on the cycling stability and aging behavior of Li-ion capacitors with micrometer-sized Si anodes2023

    • 著者名/発表者名
      Eguchi Takuya、Sawada Keiichiro、Abe Yusuke、Kumagai Seiji
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 580 ページ: 233407~233407

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2023.233407

    • 査読あり
  • [学会発表] サイクル劣化後の Si系リチウムイオンキャパシタ正負極の XPS分析2023

    • 著者名/発表者名
      江口 卓弥、熊谷誠治
    • 学会等名
      第64回電池討論会

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公開日: 2024-12-25  

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