バクテリアが作るバイオ酸化鉄のキャラクタリゼーションとLiイオン充放電挙動の検討

予備実験結果から、バイオ酸化鉄をLi二次電の正極活物質として用いると現行材料を遥かに凌駕する初期放電容量が得られることを発見した。しかし、以下に示す問題点が存在した。問題点(1)バイオ酸化鉄の構造が不明なため、Liイオン充放電機構を解明することができない。(2)容量は魅力的であるが、サイクル特性が良くない。本年度は、問題点(1)を克服するために、以下に示す計画に沿った実験の結果、目標を達成することができた。(1)バイオ酸化鉄のキャラクタリゼーション1.XAFSによるバイオ酸化鉄の局所構造解析(KEKにて測定)2.高エネルギーXRD測定および計算機シミュレーションによる非晶質構造解析(SPring-8にて測定)(2)バイオ酸化鉄Li二次電池の充放電途中の局所構造変化の解明1.ex,in-situ XAFS測定によるFeの価数変化および局所構造変化(KEKにて測定)(1)-1の結果から、バイオ酸化鉄の構造は非晶質構造特有の構造を有することが明らかとなった。(2)-2の結果から、バイオ酸化鉄の原子配列を可視化することに成功した。その構造はFeO6八面体が主に頂点および稜を共有することでネットワーク構造を形成しており、SiO4四面体はそのネットワーク構造中に孤立したSiO4四面体およびSi2O7二量体として存在していることを明らかとした。(2)-1の結果から、バイオ酸化鉄の初期放電容量が大きいのは、Feが一部0価のFeになっていることが主な要因であることが明らかとなった。サイクルを重ねるにつれて容量が低下するのは、バイオ酸化鉄のFeが充電時においても徐々に2価に近づき、構造が変化したまま元に戻らないことが原因であることがわかった。このように(1)のバイオ酸化鉄の構造解析と(2)のin-situ XAFS測定によ充放電機構を解明することに成功した。

予備実験結果から、バイオ酸化鉄をLi二次電の正極活物質として用いると現行材料を遥かに凌駕する初期放電容量が得られることを発見した。しかし、以下に示す問題点が存在した。問題点(1)バイオ酸化鉄の構造が不明なため、Liイオン充放電機構を解明することができない。(2)容量は魅力的であるが、サイクル特性が良くない。本年度は、問題点(1)を克服するために、以下に示す計画に沿った実験の結果、目標を達成することができた。(1)バイオ酸化鉄のキャラクタリゼーション1.XAFSによるバイオ酸化鉄の局所構造解析(KEKにて測定)2.高エネルギーXRD測定および計算機シミュレーションによる非晶質構造解析(SPring-8にて測定)(2)バイオ酸化鉄Li二次電池の充放電途中の局所構造変化の解明1.ex,in-situ XAFS測定によるFeの価数変化および局所構造変化(KEKにて測定)(1)-1の結果から、バイオ酸化鉄の構造は非晶質構造特有の構造を有することが明らかとなった。(2)-2の結果から、バイオ酸化鉄の原子配列を可視化することに成功した。その構造はFeO6八面体が主に頂点および稜を共有することでネットワーク構造を形成しており、SiO4四面体はそのネットワーク構造中に孤立したSiO4四面体およびSi2O7二量体として存在していることを明らかとした。(2)-1の結果から、バイオ酸化鉄の初期放電容量が大きいのは、Feが一部0価のFeになっていることが主な要因であることが明らかとなった。サイクルを重ねるにつれて容量が低下するのは、バイオ酸化鉄のFeが充電時においても徐々に2価に近づき、構造が変化したまま元に戻らないことが原因であることがわかった。このように(1)のバイオ酸化鉄の構造解析と(2)のin-situ XAFS測定によ充放電機構を解明することに成功した。