研究成果

リチウムイオン電池負極用大比表面積オープンセル型ポーラスシリコン粉末の開発 -歪緩和機構によるリチウムイオン蓄電池の長寿命・大容量化を実現-


2014年07月14日

  • 理工

2014年7月14日

 市坪哲 工学研究科准教授と和田武 東北大学金属材料研究所助教、加藤秀実 同准教授らは、金属液体内で生じる量産性の高い脱成分反応を利用することにより、次世代型リチウムイオン電池の負極活物質として注目されるシリコン(珪素 Si)のオープンセル型ポーラス粉末を開発することに成功し、これを用いて試作したリチウムイオン蓄電池(LIB)が長寿命および大容量を併せ持つことを示しました。

 本研究内容は、「Nano Letters」(ACS publication)に2014年7月2日付けでオンライン掲載されました。

研究者からのコメント

左から市坪准教授、和田 東北大学助教、加藤 同准教授

 リチウムイオン電池のエネルギー密度上昇に向けた負極活物質として期待されているシリコンやスズなどは、従来の炭素系負極材料に比べて単位質量あたり3~10倍程度リチウムを吸蔵できる材料として注目されてきました。しかし、リチウムを多く吸蔵できる材料はそのトレードオフとして大きな体積膨張(300~400%)を伴い、これにより生じる歪エネルギーが材料内部に蓄積されます。この歪エネルギーはリチウム化合物形成の化学的駆動力を凌駕するほど大きくなり、最終的には自壊しながら歪解放してリチウム化合物を形成することになり、必然的に電極のサイクル性が乏しくなるという結果に至っていました。

 本研究では、新たに開発された材料科学的手法を用いて、ナノ構造とバルク性を併せ持つバルクナノポーラス材料の開発に成功し、リチウム化に伴う体積膨張をポロシティ程度(つまり空隙部分の体積程度)に制御することにより、飛躍的に長寿命化できることを実証しました。また、トップダウン方式によるナノ構造化なので、高容量化も容易に実現できます。今後は、ポロシティなどの調整で3000mAh/g以上の容量でサイクル性を上げることが課題です。

概要

 LIBは、高いエネルギー密度を有し、情報通信や家電機器、最近では、ハイブリッド自動車や電気自動車、航空機等にも用いられ、さらなる高容量化が期待されています。

 この実現には、高いサイクル特性を示す新たな高比容量負極材料の開発が急務でしたが、今回、本研究グループは、マグネシウムとシリコンから成る合金がビスマス液体中において、マグネシウム原子は溶出しやすい一方で、シリコン原子が溶出し難い性質を利用した脱成分反応により、オープンセル型ポーラスシリコン粉末を作製することに成功しました。

 さらに、これを活物質として用いて試作したLIBが、炭素系材料を活物質に用いた従来のLIBの最大比容量(~370mAh/g、単位はミリアンペア×時間/グラム)の5.4倍(2000mAh/g、充電に要する時間33分)で充放電を繰り返した場合は、その性能を220回維持し、また、2.7倍(1000mAh/g、充電に要する時間17分)で繰り返した場合は、1500回までその性能を維持することを示しました。

 本研究により、今回開発したポーラスシリコン粉末を負極活物質に用いることにより、長寿命を維持しつつ、LIBの負極容量を飛躍的に拡大できることが示されました。これにより、携帯電話・スマートフォンやノート型PC等のモバイル機器の使用時間や電気自動車の走行距離の大幅拡大に繋がるものと期待されます。

図:開発したポーラスシリコン粉末(a)、走査型電子顕微鏡写真(b)、開発したポーラスシリコン粉末活物質と市販のシリコンナノ粒子を用いて作製したリチウム電池の定電流(1/2C)充放電試験結果(c)、および定容量充放電試験結果(d)。ここで、nC(nは数字)は本活物質の最大容量3600mAh/gに1/n時間で達する充放電速度を意味する。

詳しい研究内容について

リチウムイオン電池負極用大比表面積オープンセル型ポーラスシリコン粉末の開発 -歪緩和機構によるリチウムイオン蓄電池の長寿命・大容量化を実現-

書誌情報

[DOI] externalhttp://dx.doi.org/10.1021/nl501500g

Takeshi Wada, Tetsu Ichitsubo, Kunio Yubuta, Haruhiko Segawa, Hirokazu Yoshida, and Hidemi Kato
"Bulk-Nanoporous-Silicon Negative Electrode with Extremely High Cyclability for Lithium-Ion Batteries Prepared Using a Top-Down Process"
Nano Letters, Publication Date(Web): July 2, 2014

掲載情報

  • 日刊工業新聞(7月15日 26面)および科学新聞(8月8日 4面)に掲載されました。

リチウムイオン電池負極用大比表面積オープンセル型ポーラスシリコン粉末の開発 -歪緩和機構によるリチウムイオン蓄電池の長寿命・大容量化を実現-
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