| 研究課題/領域番号 |
25246009
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
加藤 秀実 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (80323096)
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| 研究分担者 |
和田 武 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (10431602)
市坪 哲 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40324826)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | ナノ材料 / 創製プロセス |
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| 研究概要 |
脱成分反応系の確定:混合熱に関する成分則に基づいて、金属溶湯脱成分現象により、ナノポーラスSiを形成し得る組み合わせを考察し、その可否を実験的に確認した。その結果、Mg2Si前駆体をBi、PbおよびSn溶湯に浸漬することによって、脱成分反応を促すことに成功した。
形成ポーラス構造制御因子とその影響の調査：Bi浴を用いた脱成分反応について、Bi温度および浸漬時間がポーラスSiの形態に及ぼす影響を調査した。温度は550~850℃、浸漬時間は最長１時間とした。リガメントサイズの最少および最大値はそれぞれ50 nmおよび300 nmであることがわかった。リガメントは表面拡散により粗大化し、活性化エネルギーが245 kJ/molであることがわかった。
Liイオン電池の作製とその評価：銅製集電体箔に、カーボンブラック、ポーラスSi負極活物質、および、バインダーの混合体を塗布してこれを正極とし、Li箔を負極、セパレータ、SUS製スペーサ等を用い、LiPF6wを電解液として2032型コイン状ハーフセルを作製した。定電流充放電試験では、充電速度0.5C下で従来の炭素系活物質よりも約10倍大きい3600 mAh/gまで充放電が可能であり、150回サイクル後も2000 mAh/g超を維持していた。充電容量を1000 mAh/gを上限とした定容量充放電試験では、最大1500回のサイクルまでこの容量を維持することを確認した。
Li挿入・脱離に伴うSi構造やポーラス形状変化と電極反応に及ぼす影響の調査：充放電試験を終えて、容量減少が進行したコイン型ハーフセルを開封し、ポーラスSi粉末の形状変化をSEM観察した。この結果、充放電試験開始前には、粉末形状を維持して集電体上に分散していたSiは、充放電の結果、平坦で均質な層状に変化していた。
論文作成・投稿：本研究成果に関わる最初の論文を作成して投稿した。
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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
平成２５年度の目標としていた研究内容については、Siポーラス体を形成する反応系、形状制御マップ、および、コイン型ハーフセルによる特性評価など、先述の成果の概要にて触れたとおり、殆ど達成されている。充放電に伴うSiポーラス負極活物質の不可逆的変化については、これをSEM観察することに成功しており、今後、より詳細に調査する。また、INSA-Lyonと共同で、X線CT技術を駆使して、Si負極活物質の変化のその場観察を行う予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
①Si-Mg-PbまたはSn系について、Biと同様に形成ポーラス構造制御マップを作成する
②Li挿入・脱離によって破壊しない最適ポーラス構造の決定するため、定容量充放電試験中のサイクル数の増大に伴う、Si負極活物質の変化をSEMで調査し、その不可逆的変化の実態を暴く。
③最高性能を呈するLiイオン電池の作製；上記の二件に基づき、最も優れた高容量・サイクル特性を呈するLiイオン電池を開発する。
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