成果報告書詳細
管理番号20110000000017
タイトル*平成21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/液相マイクロ波プロセスによる次世代高容量活物質の研究開発
公開日2011/1/25
報告書年度2009 - 2009
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P07001
部署名燃料電池・水素技術開発部
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
<研究目的と本年度の目標>
現行のリチウムイオン電池で利用されているインターカレーション反応では、リチウム吸蔵量が結晶構造で限定されるため飛躍的な高容量化は期待できない。近年、Fe2O3、CoO 等の遷移金属酸化物もナノ粒子化することにより充放電が可能になり、負極として機能することが報告されている。これらのナノ粒子活物質は、インターカレーション反応を利用した従来型の酸化物系負極材料( Li4Ti5O12 等) に比べ高容量であり、金属までの還元反応を利用することにより高容量化が達成されている。この反応はコンバージョン反応と呼ばれ、近年、国内外の研究グループが精力的に研究を行っている。
金属酸化物ナノ粒子の金属までの還元反応を利用する場合、従来の技術では到達できないレベルまで微細化が可能な合成技術を確立する必要がある。液相マイクロ波プロセスは、均一且つ急速加熱を特徴とするため、均一な核生成ならびに結晶成長が可能であり、従来技術に比べ、より微細なナノ粒子を、粒径分布を伴わず合成可能な手法である。
本研究開発の目的は、液相マイクロ波プロセスをもちいて極めて粒径分布が小さいナノ粒子を合成することにより高容量で可逆的に充放電可能な酸化物系負極材料を創成し、リチウムイオン電池の高容量化を実現することである。
研究開発目標は、プロジェクト終了時に1000 mAh/g 以上の初期容量を有し、50 サイクル後において初期容量の80%以上の高容量を維持する酸化物系負極活物質を開発することである。平成21 年度は、酸化鉄系の材料で1000 mAh/g 以上の初期容量を有し、50 サイクル後において初期容量の60%以上の容量を維持する活物質を開発することを目標に研究開発を行った。
英文要約Title: Development of High-performance Battery System for Next-generation Vehicles / Next-generation Technology Development / Research and Development of Next-generation Active Materials with High Energy Density by Liquid Microwave Process (FY2008-FY2011) FY2009 Annual Report
Nano-sized oxides can work as a rechargeable electrode material, whereas conventional large particles are difficult to use as an active material for lithium secondary battery. The microwave synthetic method is expected to synthesize homogeneous and ultrafine nano-sized oxides with a high battery performance. In this financial year, we succeeded in controlling the size of the Fe2O3 nanoparticles by microwave and conventional heatings, and electrochemical performances of electrodes made from uniform Fe2O3 particles were studied. The size of the particles could be controlled between 10 nm and 500 nm in this investigation. Initial capacity of the electrode of the 10 nm size particles was the highest, although the capacity fell steadily upon cycling. By contrast, the electrode of the 500 nm size particles showed better cycling performance. A specific capacity of about 885 mAh/g for 50 cycles was achieved within a potential range between 3 V and 10 mV. The capacity retention after 50 cycles was about 69%. To clarify a reaction mechanism, the electron microscope observation was performed. HAADF-STEM cross sectional images of the unused and used electrodes verified that the Fe2O3 nanoparticles changed to infinite forms after lithium insertion. This transformation from nanoparticles to infinite forms was reversible during charge-discharge cycling.
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