STM観察とシミュレーションによるリチウムデンドライト電析のナノスケール制御

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本研究では、リチウムの検討に入る予備段階として亜鉛を取り上げ、デンドライト発生条件下においてSTM観察した亜鉛の電析形態と、シミュレーションにより得られた形態を比較し、デンドライト析出初期の形態を明らかにすることを試みた。STM観察には、電気化学STMを使用した。電流密度1.2mA/cm^2,電析時間30秒において、特異的な、デンドライト析出初期の形態と考えられる。一部分に集中した突起状の形態が観察された。同じ条件下で長時間電析してSEM観察を行ったところ、電析時間240秒では針状、420秒ではデンドライト状の析出形態が確認された。よって、特異的な析出部分が、デンドライト状に成長していくものと考えられた。一方、電析形態のシミュレーションは、定電流電析を想定した。これまでのモデルをもとに、亜鉛イオンの溶液からの拡散および亜鉛イオンからの吸着原子の発生条件を改善し、さらに亜鉛イオンの拡散条件、析出面に存在するキンクやステップ近傍での亜鉛イオンの存在確率等を考慮に加えた。電流密度1.2mA/cm^2の条件下でシミュレーションを行ったところ、電析時間5秒から15秒にかけての初期の段階で、すでに亜鉛の析出が集中している形態が得られた。このような形態は、核生成による析出よりも活性点で直接放電し、析出する方が実際のデンドライト析出に近いと想定したときに得られた。さらに、電析時間30秒では、一部分が盛り上がっているような析出形態が観察された。得られたSTM観察結果とシミュレーション結果を比較すると、その形態は、一部に析出が集中して盛り上がっているところなど、同様な形態となり、さらに析出物の最大高低差と中心線平均粗さを比較したところ、よい一致が見られた。また、リチウムのデンドライト観察については、グローブボックスを用いて、アルゴン雰囲気下で、リチウムデンドライトの発生する条件を探索している。