2017 Fiscal Year Annual Research Report
次世代Li二次電池用Si系負極活物質の創製と電極－イオン液体電解質界面の最適化
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17H03128
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
坂口 裕樹 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (00202086)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
薄井 洋行 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (60423240)
道見 康弘 鳥取大学, 工学研究科, 助教 (50576717)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ケイ素負極 / Ni-P被覆 / リチウムイオン電池負極 / 無電解めっき |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，リチウム二次電池は電気自動車の駆動用電源などの大型蓄電デバイスとして利用するために，さらなる高エネルギー密度化が求められている．ケイ素（Si）は従来の黒鉛負極の約10倍もの高い理論容量を有していることから次世代リチウム二次電池の負極活物質として大変魅力的であるものの，乏しいサイクル寿命しか示さないという欠点を抱えている．これに対しわれわれはSi粒子表面にNi-Pを被覆することにより，そのサイクル寿命が顕著に向上することを示してきた．本年度の検討では，Ni-P被覆Si負極の電気化学特性のさらなる向上を目指してSiの粒径がその性能に与える影響について調べた．
粒径2 umおよび10 umのSi粒子表面に対して無電解析出法でNi-Pを被覆した後に熱処理を施した粉末（㈱日立金属ネオマテリアル提供）を活物質（Ni-P/Si）として用いた．ガスデポジション（GD）法により作製したNi-P/Si電極を試験極とし，対極にLi箔を用いて二極式コインセルを構築した．充放電試験を行った結果，粒径が10 umのSiを用いたNi-P/Si電極は650サイクルで容量衰退したのに対して，粒径が2 umのものは1100サイクルもの間，黒鉛の理論容量の約3倍である1000 mA h g-1の高容量を維持する特筆すべきサイクル性能を示した．これは，被覆層のSi粒子におよぼす効果が粒径の小さいSiの方がより大きく働いたためであると推察される．これに加えて．粒径2 umのものは10 Cにおいても初期容量の60%を維持する良好な高速充放電性能を示した．これは，粒径が小さいSiを用いることによりLiイオン拡散距離が短縮され，Siの利用率が向上したためであると考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はSiの粒径がNi-P被覆Siからなる負極の性能に与える影響を解明することができた．これは，本研究で進める負極開発において極めて基礎的な知見である．無電解めっきや熱処理の条件を変えたNi-P被覆Siにおいてもこの知見は適用できるはずである．これに加えて，他のコンポジット化手法に基づく遷移金属ケイ化物－ケイ素コンポジットや不純物元素ドーピングケイ素においても，粒径がおよぼす効果は非常に有用なものとなり，これらの研究開発が加速されるものと期待できるため．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はＳｉの粒径が性能に与える影響を明らかにすることができた．この知見を適用したうえで，Ni-P層の無電解めっきの条件や熱処理の条件を最適化することで，より一層，活物質層の崩壊を軽減できるものと期待される．今後はこのような内容を実施してきたい．
一方，遷移金属ケイ化物や不純物元素ドープしたケイ素からなる負極に対して，電解液添加剤やイオン液体電解液を適用し，電極－電解質界面の適切な構築に基づく高性能化に取り組む所存である．
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