2016年05月17日

NIMS、高容量LiB用負極材料を共同開発

【カテゴリー】：新製品/新技術 【関連企業・団体】：物質・材料研究機構

物質・材料研究機構（NIMS）は17日、ジョージア工科大学との共同グループが、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たと発表した。 現在、リチウムイオン二次電池の負極材料には炭素系の材料が用いられており、容量は最大でも370ｍAh/gとされている。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4200mAh/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る。だが、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った。 したがって、シリコン元素のみからなる負極材料を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なかった。 共同研究グループは、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た。形成されたナノ構造材料の特徴としては、数十?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する。さらに、形成されたナノ構造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。 作製した試料で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た。 同研究成果はNANO Energy誌オンライン版に掲載された。