エピタキシャル電極を用いたリチウム電池正極界面反応機構の解明

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自動車用途に向けて高出力化か望まれているリチウムイオン二次電池の電極反応機構解明を目指し,特に反応の律速が存在する正極と電解液の固液界面に着目した.層状岩塩型、スピネル型、オリビン型の各実用電極について,(1)エピタキシャル薄膜電極による均一な固液界面の構築,反応を単純化し、(2)放射光X線表面回折法,中性子反射率法により電極再表面(数nm)の構造変化、価数変化をその場観測により検討した.(1)パルスレーザー堆積法を用いたエピクキシャル薄膜の作製条件を検討し,結晶の質、方位,膜厚を制御した薄膜の作製に成功した.薄膜界面の同定はX線反射率法,AFM,SEM観察により行い,解析に理想的な二次元界面を有することを明らかにした。(2)エピタキシャル薄膜電極とその場観察用電気化学セルを用いて、固液界面挙動の検討を行った。放射光X線表面回折測定は,大型放射光施設SPring-8 BL14を使用して,7/27-7/31の4日間行った.X線の入射角を変化させることで,表面からの深さ方向の構造変化の検出に成功し,電池反応中に最表面構造が再配列することを明らかにした.さらに薄膜格子を基板により規制することで,リチウムイオンの拡散方向を制御出来る可能性を見いだした。中性子がX線よりリチウムイオン変化の検出に優れていることを利用して,電池反応中の電極電解質界面のリチウムイオンの動き検出を試みた.その結果,界面構造が大きく変化することを明らかにした.中性子を用いたリチウム電池電極/電解質界面のその場観測はこれまでに例がない.In situ中性子反射率法は電池反応場におけるリチウムイオンの動きだけでなく,電気二重層の形成過程を調べる上でも有用な測定方法になると考える.