カーボン細孔内のLiイオン伝導パスに着目した充放電機構の解明と全固体電池電極設計

点击翻译按钮获取中文摘要

本研究では多孔性カーボンの細孔内に制約したSnO2の充放電過程における構造変化やLiイオンの伝搬メカニズムを明らかとし，高速充放電時も高容量を発現可能なSnO2/多孔カーボン電極材料を創成することを目的としている。これまでの研究で，細孔内のSnO2の充放電反応率はSnO2担持量に依存することから，カーボン細孔内におけるLiイオン拡散はSnO2粒子同士の接触を介して行われていると予想される。今年度は，①SnO2粒子の担持状態と充放電特性の関係解明，②in situ STEM観察によるSnO2カーボン複合体中のLiイオン伝搬挙動の観察から，Liイオン拡散メカニズムを調べた。①多孔カーボン細孔壁面に担持したSnO2粒子を熱処理によって凝集させ，粒子同士の接触状態と充放電反応性を評価した。熱処理によって細孔壁面に密に担持されていたSnO2粒子は凝集，粗大化し，粒子間の距離を制御した複合体を得た。硫化物全固体電池における充放電測定より，熱処理前後で容量が大きく減少することがわかった。SnO2粒子にLiイオンが直接アクセスできる有機電解液系では固体系ほど容量が低下しなかったことから，全固体系ではSnO2粒子間接触が途切れることでLiイオン拡散経路が途絶え，容量低下をもたらしたと考えられる。②電気化学測定用TEMホルダーに作用極としてSnO2ナノ粒子・カーボン複合体を，固体電解質，対極に表面を酸化させた金属Li箔を固定し，小型の全固体電池を作製した。これを電子顕微鏡内に入れ，電位を操作することで充放電反応に伴うSnO2・カーボン複合体上のLiイオンの移動を観察した。LiイオンはSnO2上を優先的に伝搬し，SnO2がカーボン上に密に担持された複合体では高い反応可逆性を示した。以上の検討から，SnO2/多孔カーボン複合体中ではSnO2の粒子接触がLiイオン拡散に重要であることを明らかとした。