遷移金属の層状複水酸化物を正極とした新しい電気化学デバイスの材料設計と創製

使用过渡金属层状双氢氧化物作为正极的新型电化学装置的材料设计和创建

基本信息

批准号：
22K04702
负责人：
村田秀信
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Osaka Metropolitan University
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 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

Ni-Al層状複水酸化物(LDH)に関して、水熱ホットプレス法を用いて物性測定に使用する緻密体の作製方法を確立した。溶媒として水ではなく、水酸化ナトリウム水溶液を使用することが重要であり、相対密度で90 wt%を超える緻密体が得られた。これらの緻密体は、厚み方向にLDHの層間方向(c軸方向)が揃うように選択配向していた。得られたLDH緻密体の熱処理を試みたところ、昇温速度を制御することにより、緻密体を破壊することなく、層間イオンと水酸化物イオンを脱離させることに成功した。これは作製したLDH緻密体において、層間イオンの移動が可能なことを示している。また、このとき、緻密体は異方的な収縮を示し、厚み方向に大きく収縮した。層間イオンと水酸化物イオンの脱離後は、結晶性の低い岩塩構造に変化するとともに選択配向が解消されることが観察された。このとき水酸化物層を構成するNiとAlの局所環境にも変化が生じていることがX線吸収分光法によって明らかになった。さらに再水和処理を行うと水酸化物イオンよりも炭酸イオンが多く層間に導入されることが明らかになり、緻密体においても層間イオンの挿入脱離が可能であることが実証された。予備的な段階ながら、試作した電気化学デバイスにおいても、電流の流れる方向に極性が見られ、イオンの挿入脱離に伴う反応が起こっていること可能性が示された。また、結晶構造に関する考察により、層間に導入可能な物質の量には限界があるため、層間で伝導キャリアを担う物質が層間イオンやプロトン、水酸化物イオンで変化しうることが示唆された。これらの結果は高機能正極の設計につながる知見となる。

关于Ni-Al层状双氢氧化物（LDH），我们建立了一种利用水热热压来制造致密体以测量物理性能的方法。重要的是使用氢氧化钠水溶液代替水作为溶剂，并且获得了相对密度超过90wt％的致密体。这些致密体以LDH的层间方向（c轴方向）与厚度方向一致的方式选择性地取向。当我们尝试对所得LDH成形体进行热处理时，通过控制加热速率，成功地脱附了层间离子和氢氧根离子，而没有破坏成形体。这表明在制备的LDH致密体中层间离子运动是可能的。而且，此时致密体表现出各向异性收缩，在厚度方向上收缩显着。层间离子和氢氧根离子解吸后，观察到结构转变为低结晶度的岩盐结构，并且择优取向得到解决。 X射线吸收光谱显示，此时构成氢氧化物层的Ni和Al的局部环境也发生了变化。此外，还表明，当进行再水化处理时，层间引入的碳酸根离子多于氢氧根离子，这表明即使在致密材料中也可以进行离子的嵌入和脱嵌。尽管在初级阶段，即使在原型电化学装置中，也可以在电流方向上观察到极性，这表明可能发生与离子插入和解吸相关的反应。此外，对晶体结构的考虑表明，由于可以引入层间的物质的量是有限的，因此充当层间导电载体的物质可以被层间离子、质子和氢氧根离子改变。这些结果为高性能正极的设计提供了知识。