成果報告書詳細
管理番号20110000000660
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 活物質・カーボンナノ複合構造制御による高出力・大容量Liイオン二次電池の研究開発1
公開日2012/7/11
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人長崎大学
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1. 研究開発の内容及び成果等
1-1. 研究目的と目標
次世代自動車の動力源としてLiイオン二次電池を応用するためには,長距離走行が可能な容量特性と,走行負荷変動に対応でき,かつ短時間での充電を可能にする高出力特性を兼ね備えた電池電極材料の開発が必要不可欠である。さらに,実用化のためには,安定性や安全性の確保,経済性をクリアする必要がある。このような命題の解決に向けて,本研究では,電極構成材料として活物質/カーボン複合系材料に焦点を当て,高速でのイオン・電子移動ならびに固体内Li拡散を可能にするナノ複合構造の新しい制御技術開発を行い,高性能電極の構造設計・構築を通してLiイオン二次電池の高出力・大容量化を図ることを目的とする。本目的に対し,導電相としてのカーボンと活物質からなる複合構造をナノレベルからマクロレベルに至るまで最適化し,電子移動や固相内Li拡散の抵抗低減とともに,電解液の浸透すなわち電解質イオンの移動に有利(電解液抵抗の低減)で,大きな界面面積(電荷移動抵抗の低減)を有するナノ複合電極の開発およびこれによる高出力・大容量のLiイオン二次電池の性能評価を行う。
平成19?21年度は「要素技術開発」において研究開発を進め,ナノ活物質結晶や活物質・カーボン複合ナノ構造制御のための新しい技術開発を行い,「要素技術開発」における中間目標性能を達成し得る正極・負極材料を開発した。平成22年度から「次世代技術開発」に移行し、特に大容量特性を得るための負極材料の開発を進めている。負極材料に関する平成21年度までの開発では,グラファイト性マクロ多孔体の合成を行い,一般の黒鉛材料よりも優れた高速充放電特性を発現させることに成功するとともに,Sn金属と多孔カーボンの複合化手法の開発を行った。しかしながら,大容量負極材料の開発において,まだ十分な性能を発揮するまでには至っていない。このような経緯を受けて平成22年度は,グラファイト性マクロ多孔体の高速充放電特性に係る要因の解明とともに,SnのみならずSiとカーボンからなるナノ複合材料の新規開発と容量特性の向上について研究を行った。
英文要約Title: Development of High Power and High Energy Li-ion Secondary Battery by Nanofabrication of Li-host/Carbon Composites (FY2007-FY2011) FY2010 Annual Report

To the aim of developing high power and high energy Li-ion secondary batteries, it is indispensable to fabricate a nanostructured electrode which enables high-rate electrochemical reactions to occur in the cell, that is, to design and fabricate high surface area electrode structure effective to smooth ion transport in quasi three-dimensional electrode interface, Li-ion diffusion in active material solid, electron transfer accompanied with faradic reactions and so on. The present project focuses on developing a high performance electrode, which has high-rate charging-discharging property while keeping a large capacity, via nano-structural control of Li-host/carbon composite materials.
In FY2010, it was revealed by AC impedance spectroscopy that nanoporous graphitized carbons developed in FY2009 have low interfacial reaction resistances. This means that nanoporous graphitized carbons are useful as a support material with high rate property for stabilizing metal-alloy active materials. In order to develop large capacitive negative electrode materials with stable cycle performance, Si/carbon and Sn/carbon nanocomposites were tied to be developed in FY2010. Si-nanoparticles coated with nanothick carbon-layer were successfully obtained by a newly developed ultrasonic method. The carbon-coated Si-nanoparticles showed a discharge capacity of 700 mAh/g even after 50 charge-discharge cycles in contrast that the discharge capacity of pristine Si-nanoparicles decreased rapidly with charging-discharging and reached almost zero after 20 charge-discharge cycles. The carbon-coating of Si particles with the ultrasonication method is effective to suppress the destruction of Si particle structure during the charge-discharge cycle. Si- or Sn-nanoparticles embedded porous carbons were also synthesized by reducing Si- or Sn-sources with the presence of nanoporous carbons. It was confirmed that the cycle performance became better than those of original nanoparicles in both cases. As a next research step, the capacity of the nanocomposite will be tied to be increased by increasing the loading amount of Si or Sn in the nanoporous carbons.
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