多価イオン二次電池用電極ナノ粒子の創製を目指した3次元原子配列の可視化

用于创建多价离子二次电池电极纳米颗粒的三维原子排列可视化

• 批准号: 22H01781
• 负责人: 北村 尚斗
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01781/
• 关键词: 多価イオン二次電池; 正極材料; ナノ粒子; 2体分布関数; 逆モンテカルロ法

二次電池の需要の拡大に伴い、ポストリチウムイオン電池として多価イオン二次電池の開発が精力的に行われている。本研究では特にマグネシウム二次電池に注目し、スピネル型構造を有する正極ナノ粒子について放充電特性（正極特性）と原子配列の関係を明らかにするため、以下の実験を行った。逆共沈法と層状複水酸化物の熱分解により、Feを含む正極ナノ粒子（Mg1+xFe2-xOyなど）とMnを含む正極ナノ粒子（MgMn2O4、(Mg, Zn)MnO3など）、Coを含む正極ナノ粒子（(Mg, Zn)Co2O4など）を合成した。これらの試料について正極特性を評価した結果、Feを含むナノ粒子では、Mg組成を過剰にすることで優れた正極特性を示すことが明らかになった。また、Mnを含む正極ナノ粒子については、表面修飾により放充電サイクルに伴う放電容量の低下を抑制でき、充放電効率も向上することがわかった。これらの試料の原子配列に関する知見を得るため、放射光X線回折測定を行い、リートベルト法により結晶構造を検討した。その結果、正極ナノ粒子におけるMgの分布が明らかになり、結晶構造の歪みの抑制が正極特性の向上に寄与していることが明らかになった。さらに、正極ナノ粒子の原子配列を詳細に検討するため、量子ビームを用いた全散乱測定を行い、構造因子S(Q)と簡約2体分布関数G(r)を取得した。これらのデータを用いて逆モンテカルロモデリングによる3次元構造の構築を行った。このとき、結合原子価の総和に関する制約を適用することにより、解析精度の向上を試みた。その結果、正極ナノ粒子に含まれる各カチオン周辺で局所構造が大きく異なることが示唆された。

Secondary battery needs a large number of factors, such as battery life, battery life and battery development. This research focuses on the special purpose secondary batteries and aims to clarify the relationship between the discharge and charge characteristics (electrode characteristics) of electrode particles with a sphere-type structure and the atomic arrangement. The following examples are carried out. Reverse coprecipitation method and thermal decomposition of layered complex acid compounds, Fe particles (Mg1 + xFe2-xOy), Mn particles (MgMn2O4,(Mg, Zn) MnO3), Co particles ((Mg, Zn) Co2O4) The electrode characteristics of the sample were evaluated. The results showed that the Fe content was higher than that of the Mg content. The electrode containing Mn has particles, surface modification, discharge and discharge capacity reduction, discharge and discharge efficiency improvement. The atomic arrangement of the sample is known, and the X-ray reflection method is used to determine the crystal structure. As a result, the distribution of Mg in the electrode particles is bright, the crystal structure is distorted, and the electrode characteristics are upward. In addition, the atomic arrangement of the electrode particles is discussed in detail, and the quantum structure is used to determine the total scattering, the structure factor S(Q) and the reduced two-body distribution coefficient G(r) are obtained. The construction of three-dimensional structures is carried out in the middle of the game. The analysis accuracy of the atomic and atomic components is tested. As a result, the electrode particles are contained in the structure of each ring, which is different from that of the other ring.

项目成果

スピネル型(Mg,Zn)(Co,Fe,Mn)2O4の正極特性と量子ビームを用いた平均・局所構造解析

尖晶石型 (Mg,Zn)(Co,Fe,Mn)2O4 的正极特性以及使用量子束的平均/局部结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 馬 馼力;北村 尚斗;石橋 千晶;井手本 康
• 通讯作者: 井手本 康