成果報告書詳細
管理番号20110000000714
タイトル*平成22年度中間年報 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発 次世代技術開発 鋳型法を利用した革新的リチウムイオン電池負極材料の開発研究
公開日2012/4/6
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等 Liイオン電池の負極材料として、理論容量が4198 mAh/g と極めて大きいSiは大変魅力的であが、不可逆容量の低減 (体積変化による劣化の低減) や、導電性の向上、反応速度の向上が課題である。これらを解決するには、ナノサイズのSiを導電体である炭素と複合化し、かつナノSiの周囲に充電(Li 挿入)時の膨張を緩衝できる隙間をもつ材料が有効であると考えられる。しかし、そのような材料が調製できた報告は現在のところない。そこで本研究開発では、図1に示すスキームにより、SiO2 と炭素がナノレベルで混合したSiO2/炭素ナノ複合体を電気化学的に還元することで、上述した理想的な構造を持つSi/炭素複合体の開発を行っている。
H21年度まではゾル-ゲル法を利用してSiO2/炭素ナノ複合体を調製してきた。しかし、SiO2のドメインサイズが数nmと小さく、SiO2がSiに還元されることで生じる空隙へ溶融塩が侵入する速度が小さいため、還元の効率が低いという問題点があった。そこでH22年度は、平均粒径45nm のSiO2球形ナノ粒子を炭素と複合化したものを電気化学的に還元し、Si/炭素複合体を調製した。さらに、得られた複合体のリチウムイオン充放電特性の検討を行った。
英文要約Title : Lithium-Ion Battery Based on Hierarchically Designed Microporous Carbon Anodes Synthesized by Template Technique: New Energy Technology Development Program. Development of High-performance Battery System for Next-generation Vehicles (FY2007-FY2011) FY2010 Annual Report
Monodispersed SiO2 nanoparticles were molded into a pellet, and then acetylene CVD was accomplished to uniformly cover the entire surface of each SiO2 nanoparticle with very thin carbon layer (1 to 5 nm in thickness). The SiO2/carbon nanocomposites thus obtained were immersed into molten CaCl2 at 850 °C, and the silica embedded in the carbon matrix was electrochemically reduced into Si. By X-ray diffraction (XRD), it was confirmed that the broad peak from amorphous SiO2 (2theta = 22°) was almost disappeared upon the reduction, and intense peaks derived from Si were clearly observed. The TEM observation revealed the presence of numerous spherical carbon shells, in each of which several Si nanocrystals were included. The size of the carbon shells corresponds to the size of the parent SiO2 nanoparticles, indicating that the carbon layer deposited on the surface of the SiO2 nanoparticles retains its shape even during the electrochemical reduction in the molten CaCl2. The crystal sizes of the formed Si were found to be less than 10 nm. After the removal of unreacted SiO2 with HF, Si/carbon nanocomposites were obtained and their performances as an anode of lithium ion batteries were examined. The Si/carbon nanocomposites exhibit very high Li-extraction capacity of 1000 to 1500 mAh/g in the first cycle. In addition, the Si-carbon core-shell structure was found to be beneficial to retain the high capacity over cycles.
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