シリコン系金属化合物を用いた高容量リチウムイオン二次電池材料の開発
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
NIMS MANAの研究グループとジョージア工科大のグループは、リチウムイオン二次電池用負極材料として、金属基板上にシリコン系金属化合物のナノ粒子を形成することで、従来の2倍近い高容量と、長いサイクル寿命を実現しました。
概要
- 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (以下NIMS) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の深田直樹グループリーダーを中心とする研究グループとジョージア工科大のグループは、リチウムイオン二次電池用負極材料として、金属基板上にシリコン系金属化合物のナノ粒子を形成することで、従来の2倍近い高容量と、長いサイクル寿命を実現しました。この研究成果は、リチウムイオン二次電池用負極材料の高容量・長寿命化に繋がる研究成果です。
- 現在、リチウムイオン二次電池の負極材料としては炭素系の材料が用いられており、容量は最大でも370 mAh/gです。もし、純粋なシリコンを負極材料として利用できれば、理論的には4200 mAh/gと現行の炭素系材料の10倍以上の高い容量を達成できます。しかし、リチウムイオン挿入時のシリコンの体積膨張は300-400%と高いため、充放電サイクルを繰り返すごとに負極材料に大きな応力が発生して破壊が起こるという問題がありました。したがって、シリコン元素のみからなるバルク材料を負極材料として使用するとサイクル寿命が極端に短くなるため、現在までシリコン材料が使用されることはありませんでした。
- 本研究グループは、金属基板上にゲルマニウムで1次元のワイヤ状のナノ構造を形成し、それを下地にナノ構造のシリコン系金属化合物を形成しました。形成されたナノ構造材料の特徴としては、数十nmから100nm程度のナノ粒子の集合体内部に空隙が多数存在し、ゲルマニウムナノ構造体との間には大きな空隙が存在します (図1) 。さらに、形成されたナノ構造体は純粋なシリコンのみで形成されるのではなく、下地のゲルマニウム構造体を介して基板から成長時に自動的に金属原子 (主に鉄) が供給され、シリコン系の金属化合物となっている点です。
- 作製した試料にて充放電特性を評価した結果、負極容量を現在の2倍程度に増大するとともに、サイクル寿命の増大にも成功しました。
- 今回開発した材料は、内部に空隙を有することで体積膨張による応力を緩和し、シリコン系ナノ構造材料中のシリコンと金属元素の組成を制御することで、リチウムイオン二次電池負極材の高容量化と長寿命化の両立を行える点が特徴です。
- 本研究成果は、NANO Energy誌オンライン版にて2016年5月6日に掲載されました。
プレスリリースの図1 : 新しいリチウムイオン二次電池用負極材料として開発したナノ構造からなるシリコン系金属化合物の電子顕微鏡像.
