ケイ素を用いた次世代リチウムイオン電池の創製

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LaSi2/Siコンポジット電極が優れた充放電サイクル寿命を示すが，それでも1200サイクル程で容量減衰してしまう．充放電前ではLaSi2マトリックス相中にSi相が微分散した組織が形成されていたことから，弾性的な機械的性質を有するLaSi2がSiからの応力を緩和し電極崩壊を抑制したと考えられる．しかしながら，充放電後には膨張したSi相中にLaSi2相が微分散した組織へ変化しており，両相の配置が逆転していることがわかった．一連の研究成果に基づきLaSi2/Si中に剛性的なケイ化物を予め添加しておけば性能をさらに改善できると着想し，CrSi2/SiおよびLaSi2/Si電極よりもCrSi2/LaSi2/Si電極が優れたサイクル寿命を示すことを明らかにしてきた．2022年度は剛性的なシリサイドを変更して充放電サイクル試験を実施するとともに，反応挙動の解明を試みた．その結果，WSi2, TaSi2, CrSi2, TiSi2, MoSi2およびNbSi2を用いた順にサイクル寿命が伸長した．膨張率の大きなLi-rich相 (LixSi, x = 3.75-2.00)の形成量を充放電試験データに基づいて調べたところ，サイクル寿命が長いほどLi-rich相の形成が抑えられていることがわかった．これまでに軟X線発光分光法に基づきSi層中のLi濃度分布を調べる手法を考案し，優れたサイクル寿命が得られるイオン液体電解液中および乏しい性能しか得られない有機電解液中においてSi電極反応挙動を調べた．後者では膨張率の大きなLi-rich相が不均質に分布しており，これが電極崩壊を引き起こしていると結論した．2022年度は被膜形成添加剤がLi濃度分布におよぼす影響を調べ，未添加の場合と比較して長期サイクルにわたりLi濃度分布が均質であることを見出した．