Development of CNT modified electrode for multivalent ion battery anode

多价离子电池负极用CNT修饰电极的研制

基本信息

批准号：
22K05291
负责人：
原正則
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Toyota Technological Institute
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究課題では、Li以外のより埋蔵量の多い金属イオン、特に電池容量の大きい多価イオンを用いた二次電池のアノードに適用する新規な電極の開発を目的としている。この電極の開発において、これまでLiイオン二次電池のアノードとして開発してきたカーボンナノチューブ(CNT)修飾電極の活用とイオン種に合わせた構造の最適化を研究テーマとしている。2022年度は、CNT電極の開発において、(1)電池容量に大きく影響する電極の表面積の向上、つまり集電板上に直接、垂直配向させて合成したCNTの成長の向上、および(2)電池に用いるイオン種による集電基板との合金化への対応のための異なる集電板やバリア層上でのCNTの合成反応について研究を行った。垂直配向したCNTの成長量の向上では、アルコール触媒化学気相成長（AC-CVD）によりCNTの合成を行った場合、触媒に用いるCoの量を制御することで最大で約 5 μm程度までCNTの成長量を伸ばせること、さらにAC-CVD後の垂直配向したCNT膜上に再度、Co触媒を担持してAC-CVDを行う多段階合成を行うことで、3回の多段階合成により約10 μm程度までCNTの成長量が向上することが分かった。また、多段階合成したCNTを用いてLiイオン二次電池のアノードとしての充放電容量の測定を行った結果、CNTの成長量の向上に伴い容量が向上した。さらに、多段階合成におけるCNTの成長メカニズムについて透過型電子顕微鏡を用いて評価を行った。異なる集電基板上でのCNTの合成について、一般的に用いられるCu基板上にCrおよびAlのバリア層をスパッタした基板上でのAC-CVDによるCNTの合成、および高い安定性を持つインバー基板上へのマイクロ波プラズマ増強化学気相成長（MPE-CVD）によるCNTの合成を行い、それぞれ約5 μm程度の垂直配向CNTの成長に成功した。

该研究项目的目的是开发一种新型电极，可应用于使用除Li以外的金属离子的二次电池的阳极，这些离子具有较大的储量，特别是具有大电池容量的多价离子。在该电极的开发中，我们的研究主题是利用碳纳米管（CNT）改性电极（该电极已被开发为锂离子二次电池的负极），以及根据离子种类优化结构。 2022财年，我们将重点开发CNT电极，方法是（1）提高对电池容量影响很大的电极表面积，即通过直接在集电板上垂直排列合成的CNT来改善其生长，（2）提高电池容量，我们对不同集电板和阻挡层上的碳纳米管的合成反应进行了研究，以根据所使用的离子种类来应对与集电基板的合金化问题。为了增加垂直取向CNT的生长量，当通过醇催化化学气相沉积(AC-CVD)合成CNT时，通过控制其中Co的用量，可以将CNT生长至最大约5μm。另外，通过在AC-CVD后的垂直取向CNT膜上再次负载Co催化剂进行AC-CVD的多步合成，可以将多步合成中的生长量提高至3倍。。发现CNT生长量提高至约μm。此外，我们使用多步合成的CNT测量了作为负极的锂离子二次电池的充电/放电容量，结果，容量随着CNT生长量的增加而增加。此外，使用透射电子显微镜评估了多步合成中碳纳米管的生长机制。关于在不同集流体基底上合成CNT，我们在常用的带有Cr和Al溅射阻挡层的Cu基底上通过AC-CVD合成CNT，以及在高度稳定的Invar基底上通过向上微波等离子体合成CNT。增强化学气相沉积（MPE-CVD），并成功生长出垂直排列的碳纳米管，每个碳纳米管的尺寸约为5微米。