カーボンナノ空間を利用した全固体電池の高容量電極材料の設計

利用碳纳米空间设计高容量全固态电池电极材料

基本信息

批准号：
20J12412
负责人：
能登原展穂
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Nagasaki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，カーボンナノ空間を利用した高容量電極材料の全固体電池電極としての構造最適化を行うことを目指している。今年度は下記(1)~(3)について研究し，論文発表，学会発表を行った。(1)多孔性カーボン細孔内に高容量電極材料(SnO2)を担持したSnO2/多孔カーボン複合体の全固体電池系における充放電特性を評価した。複合体はカーボン細孔内に固体電解質が存在しないにも関わらず，空間を有しないSnO2/カーボン材料に比べて高い充放電特性を発現した。SnO2の充放電反応割合はSnO2担持量の増加に伴って向上したことから， LiイオンはSnO2粒子を介することで固体電解質の存在しないカーボン細孔内を伝搬している可能性を見出した。多孔性カーボンの利用が高容量電極材料の全固体電池への応用に有効であることを明らかとした。(2)固体電解質の存在しないカーボン細孔内でのLiの伝搬性を調べるために， SnO2がカーボン上に疎・密に担持された範囲でのLiイオン伝搬挙動をその場走査型透過電子顕微鏡により調べた。Liイオンの伝搬速度はSnO2粒子同士が離れた範囲に比べてSnO2が連なった範囲で速く，SnO2をカーボン上に密に担持することで，固体電解質と界面界面を持たないカーボン細孔内の活物質が充放電できることが分かった。(3)高容量活物質の全固体電池系での作動にはセルを機械的に拘束する必要があるが，拘束治具の利用は電池を大型化・重量化し，実用化の障壁とされている。SnO2/多孔カーボン材料は，電解質と活物質の直接界面を減らし，活物質(SnO2)の反応空間がカーボン壁のフレームワークで確保されるため，従来のような過度な拘束圧の影響を受けにくいことが分かった。さらに，単層CNTを電極層に導入することで，拘束圧を市販のコイン型電池程度まで下げた場合でも高容量・高サイクル特性を示すことを明らかとした。

在这项研究中，我们的目标是优化利用碳纳米空间作为全固态电池电极的高容量电极材料的结构。今年，我们针对以下（1）至（3）项进行了研究，并发表论文并在学术会议上发表。 (1)评估了在全固态电池系统中在多孔碳孔中负载高容量电极材料(SnO2)的SnO2/多孔碳复合材料的充电和放电特性。尽管碳孔内不存在固体电解质，但该复合材料表现出比没有空间的 SnO2/碳材料更高的充放电特性。由于SnO2的充电/放电反应速率随着SnO2负载量的增加而提高，因此发现Li离子可以通过SnO2颗粒穿过没有固体电解质的碳孔传播。我们已经证明，使用多孔碳可以有效地将高容量电极材料应用于全固态电池。 (2) 为了研究Li在不存在固体电解质的碳孔中的传播行为，利用原位扫描透射电子显微镜观察了SnO2松散和致密负载在碳上的范围内Li离子的传播行为调查。 Li离子的传播速度在SnO2颗粒连接的范围内比在SnO2颗粒分离的范围内更快。发现物质可以充电和放电。（3）对于使用高容量活性材料的全固态电池系统的操作，需要对电池进行机械约束，但约束夹具的使用增加了电池的尺寸和重量，这被认为是一个障碍到实际应用有。 SnO2/多孔碳材料减少了电解质和活性材料之间的直接界面，并且活性材料（SnO2）的反应空间由碳壁框架保证，使其不易受到过度围压的影响，如这就是我发现的常规方法。此外，通过将单壁CNT引入电极层，表明即使当围压降低至市售硬币型电池的水平时，也可以实现高容量和高循环特性。