ヘテロ原子置換型炭素材料のリチウム吸着特性に関する理論的研究

杂原子取代碳材料锂吸附性能的理论研究

基本信息

批准号：
11124224
负责人：
栗田典之
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

リチウムイオン二次電池用負極材料として、黒鉛化度の低い低結晶性炭素材料が開発され、黒鉛の理論容量を越える量のLiを受容可能な炭素材料が得られている。さらに、低結晶性炭素材料の高容量化を目的として、炭素材料にホウ素、窒素をドープする試みがなされ、充電放電容量がより大きい材料が得られている。しかし、ホウ素を単独でドープした場合は、2.35%以上のドープは困難であり、Li充放電容量が飛躍的に増加することは望めない。最近、室蘭工業大学の佐々木氏のグループでは、ボラン-複素環化合物を原料とし、熱分解によりBCNアロイを生成している。このアロイの元素組成比は、B:C:N=2:4:1であり、BとNを同時にドープすることにより、従来よりも多くのBをドープすることができる。また、XPSの実験結果から、このアロイ中には、BNB単位が存在する可能性が高いと指摘されている。本研究では、低結晶性炭素材料のモデルとして、6角形のC_<54>H_<18>及びC_<96>H_<24>シートを採用し、そこにBNB単位で置換を行った場合の安定構造、電子状態、Li吸着特性の変化を、半経験的分子軌道計算(MOPACのMNDO法)により解析し、ホウ素を単独で置換場合と比較することにより、以下の点を明らかにした。(1)BNB置換は、B周辺の格子歪みを緩和し、より多くのB置換を可能にする。(2)BNB置換シート上にLiを吸着させると、LiはN周辺には吸着し難く、Nを置換元素として含めることによりシート上のLiが吸着し易いサイトは減少する。

具有低石墨化度的低结晶碳材料已经被开发作为锂离子二次电池的负极材料，并且已经获得了能够以超过石墨理论容量的量接受Li的碳材料。此外，为了提高低结晶碳材料的容量，已经尝试用硼和氮掺杂碳材料，并获得了具有更高充放电容量的材料。然而，当单独掺杂硼时，难以掺杂2.35%以上，并且不能预期Li充放电容量的显着增加。最近，室兰工业大学佐佐木先生的小组以硼烷杂环化合物为原料，通过热分解法生产BCN合金。该合金的元素组成比为B:C:N=2:4:1，通过同时掺杂B和N，可以比以前掺杂更多的B。此外，XPS实验结果表明该合金中很可能存在BNB单元。在本研究中，我们采用六角形C_<54>H_<18>和C_<96>H_<24>片作为低结晶碳材料的模型，并测定了用BNB单元取代它们时稳定性的变化。使用半经验分子轨道计算（MOPAC的MNDO方法）分析了电子态、Li吸附特性，并通过与单独替换硼的情况进行比较，澄清了以下几点。 (1) BNB 取代松弛了 B 周围的晶格应变，并允许更多的 B 取代。 (2)当Li吸附到BNB取代片上时，Li难以吸附在N周围，并且通过包含N作为取代元素，片上容易吸附Li的位点的数量减少。