負極集電体の結晶方位に着目した金属リチウム負極のデンドライト抑制

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これまでの研究では、多結晶および単結晶銅集電体を用い、金属リチウム負極の析出形状とそのサイクル特性が、集電体の結晶方位の影響をどのように受けるかを調べた。その結果、金属Li負極の析出形状はCuの結晶粒の方位によって大きく変化し、Cu(111), Cu(101), Cu(001)のような低指数では均一、高指数面では不均一となることが明らかとなった。この結果より、金属リチウム負極のサイクル特性向上には、Cu(111)単結晶銅集電体が最も高い効果を示すことが予想される。このような考えをもとに、二次電池として用いる場合と同様に定電流充放電実験を行い、そのサイクル特性、および電圧ヒステリシスを調査した。Cu(111), (101), (001)単結晶集電体を負極集電体として用い、電流密度0.5 mA/cm2, 充放電量0.5, 1.0, 2.0 mAh/cm2 の条件でそれぞれ20 サイクル定電流充放電を行った。充放電時の電圧変化を解析した結果、その過電圧に大きな方位依存性が観察され、Cu(101)で最も過電圧が高く、Cu(111)で最も低くなることが明らかとなった。この結果より、これまでの研究で得られた界面抵抗の方位依存性は、定電流充放電時にも存在することが明らかとなった。この結果は、これまでに得られているCu集電体の結晶方位と界面抵抗の関係と一致している。この結果は、負極集電体の結晶方位が定電流充放電における金属Liの析出・溶解過電圧に影響を及ぼすことを示しており、金属Li負極のサイクル特性を議論する場合は、電解液や添加物の種類だけでなく、負極集電体の結晶方位を考慮する必要があることを示している。