レーザー加工による固体電解質/電極界面の三次元化による電池の高出入力・高耐久化

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これまでに我々の研究グループにおける穴あき加工電極の更なる高性能化のために、3次元非貫通集電体を用いた電池を作製し、高速充放電試験(レート試験)による電気化学特性評価を行った。高レート時における容量保持率はピコ秒パルスレーザーを用いて作製された穴あき貫通電極と同様な結果を示した。穴あき加工によって集電体構造を3D化することだけでなく、凹凸をつけることによって同様な成果が得られるということが分かった。大きな凹凸であるほど容量保持率の向上が顕著であったことから従来の電極よりも電極活物質層と集電体の接触が増加し、容量保持率が向上したと考えられる。また、これまでの結果を基にCOMSOL Multiphysicsを用いて穴あき電極を用いた場合の充放電に伴うリチウムイオンの拡散挙動を解析した。穴なし、穴あり各電極の放電容量保持率において実際の電池を用いた場合と同様に穴あき電極のほうが優れていることが分かった。電極の充電状態分布では穴あき電極の開口部において放電反応が進行していることを観測した。電極の開口部を大きくした場合放電容量保持率が開口部が小さい場合よりも低下することが得られた。さらに、電極の膜厚を増加させた場合穴あき電極のほうが穴なしよりも放電容量保持率の低下を抑制できた。穴あき加工電極が有するリチウムイオン拡散の向上を利用した電池を作製するために、穴あき電極に対して固体電解質を塗布し、高速放電試験による電池性能評価を検討した。穴なし電極を用いた場合よりも穴あき電極のほうが放電レートが1Cにおいても高い放電容量保持率を示しており、穴あき開口部における効果が有機系電解液を用いた場合と同様に得られた。