2019 Fiscal Year Annual Research Report
Functionality elucidation of rice husk-derived C/SiOx composite as the anode active material of Li-ion energy storage devices
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19H02121
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| Research Institution | Akita University |
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Principal Investigator |
熊谷 誠治 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (00363739)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田島 大輔 福岡工業大学, 工学部, 准教授 (10531452)
カビール ムハムドゥル 秋田大学, 理工学研究科, 准教授 (10422164)
富岡 雅弘 秋田大学, 理工学研究科, 特任助教 (00838683)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 蓄電デバイス / もみ殻 / 電極活物質 / リチウムイオン電池 / リチウムイオンキャパシタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
既存C系およびSi系活物質では得られない優れたLiイオン吸蔵放出特性を有する非晶質C/SiOx活物質を，もみ殻を原料に創製することが本研究の目的の一つである。本年度は，種々の物性を有するもみ殻由来の非晶質C/SiOx活物質の製造を行った。具体的には，もみ殻を窒素雰囲気中で一次炭化し，一次炭化したもみ殻炭は水酸化ナトリウム水溶液に浸漬し，もみ殻炭中から非晶質SiOxの溶脱を行った。蒸留水でもみ殻炭を洗浄した後，同じく窒素雰囲気中で二次炭化を行った。二次炭化を経たもみ殻炭に対して，遊星型ボールミルを使用して微粉状活物質を得た。
その工程において，（ア）炭化条件：一次炭化温度と時間，二次炭化温度と時間，（イ）SiOx溶脱条件：水酸化ナトリウム水溶液濃度，浸漬温度，時間，（ウ）粉砕条件：粉砕ボール直径・数，粉砕容器回転数，回転時間。（ア）～（ウ）の製造パラメータを変化させ，活物質の製造パラメータと得られる物性，特にSiOx含有率，ナノ細孔容積や粒径の相関を明らかにした。そして，微粉化した活物質，導電助剤，電極バインダと溶媒を混合し，それをミキサーで撹拌することで，スラリーを製造した。そして，スラリーを集電極となる銅箔に塗工し，円形に打ち抜き，Liイオン蓄電デバイスの電極を製造した。
電極と金属Liの間にセパレータを挿入し，一般的なリチウムイオン電池用電解液を注入し，セル容器を封止することでハーフセルを組み立てた。そして，一定の電流密度において，もみ殻由来C/SiOx活物質にLiイオンを吸蔵および放出させた。製造条件を変化させることで，C/SiOx活物質のLiイオンの吸蔵放出特性が大きく変化することを確認した。
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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
３年間の期間を有する本研究は，各年度において１から３の研究項目を実施予定である。
１．比較的簡易なプロセスのみで，既存C系およびSi系活物質では得られない優れたLiイオン吸蔵放出特性を有する非晶質C/SiOx活物質を，もみ殻を原料に創製する。また，製造条件と材料物性の相関を明らかにする。
２．もみ殻由来非晶質C/SiOx活物質のLiイオンの吸蔵放出特性の把握およびその基礎過程を解明する。
３．リチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタという実際の蓄電デバイスの負極活物質としての性能と，組成，微細構造や粒径との相関を追跡することで，材料物性の最適化を行い，それら蓄電デバイスの負極活物質としての最高性能を見極める。
本年度は１の研究項目を実施することができ，翌年度に予定されている２の研究項目を確実に実施するための予備的な実験も行うことができた。それゆえ，（２）おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，活物質中のSiOx含有率，ナノ細孔容積や粒径などの材料物性の異なるもみ殻由来非晶質C/SiOx活物質のLiイオン吸蔵放出特性を詳細に把握する予定である。特に，Li，C，O，Siの電気化学的反応を追跡することで，もみ殻由来C/SiOx混合系におけるLiイオン吸蔵放出基礎プロセスの解明を目指す。
対極をLi金属とするハーフセルを用いて，C/SiOx活物質のLiイオン吸蔵放出量の電位依存性やイオン移動抵抗などの電気化学的応答を，電気化学インピーダンス法により分析する。また，Liイオン吸蔵および放出時の電極の表面形状，組成，微細構造などの物性を調査し，活物質の物性とLiイオン吸蔵放出特性の関係を明らかにする。特に，X線光電子分光分析により，Liイオン吸蔵時の活物質中のLi，C，O，Siの結合状態を明らかにする。
未処理電極，Liイオン電池用電解液に浸漬し，その後乾燥後の電極の他，ハーフセルを用いて活物質にLiイオンを吸蔵させた状態の電極，さらに，Liイオンを吸蔵させた後に放出させた電極を準備する。それら電極に対して，Arイオンスパッタを用いた深さX線光電子分光分析を実施する。得られた分析結果と先のLiイオン吸蔵放出基礎特性結果から，C/SiOxとLiイオンの電気化学的反応が仮説および想定通りに進行しているのかを検証し，異なった反応が進行している場合は，その反応を明確にする。同時にC領域とSiOx領域の活物質全体比容量への寄与率の差や，Liイオン吸蔵放出が繰り返されることによるその基礎プロセスの変化なども明らかにする。そして，非晶質C/SiOxナノ混合系におけるLiイオンの吸蔵放出基礎プロセスを解明する。
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