イオンの扩散が电池容量を决める ～电池容量が电流密度に - 筑波大学.pdfVIP

平成27 年10 月20 日 報道関係者各位 国立大学法人 筑波大学 イオンの拡散が電池容量を決める ～電池容量が電流密度に依存するメカニズムを解明～ 研究成果のポイント 1. ナトリウムイオン二次電池正極材料において、イオンの拡散が電池容量の大きさを決める主要因であるこ とを発見しました。 2. 成膜条件の異なる薄膜電極を用いた精密実験により、電池容量が繰り込まれた電流密度に相関するこ とを見出しました。 3. イオンの拡散係数を大きくすることにより、高電流密度二次電池の実現が期待されます。 国立大学法人筑波大学 数理物質系 守友浩教授の研究グループは、成膜条件の異なる薄膜電極を用 いた精密実験により、ナトリウムイオンの拡散がナトリウムイオン二次電池の容量の大きさを決める主な要因で あることを発見しました。イオンの拡散係数（注１）を大きくすることにより、高電流密度二次電池の実現が期待 されます。 実用化されている二次電池の電極では、イオンを出し入れする正極材料に加え、伝導性を高める炭素系 導電材と Al 箔集電極に接合させる高分子バインダーが混合されています。そのため、電圧分布や界面状態 が複雑となり、電池容量が電流密度に依存するメカニズムはよくわかっていませんでした。本研究グループは 正極材料に焦点を当て、混合物を含まず、成膜条件の異なる薄膜電極を用いた精密実験を行いました。薄 膜電極では、全ての正極材料粒子に電圧が印加されます。その結果、電池容量が繰り込まれた電流密度に 相関することを見出しました。さらに、イオンの二次元拡散を仮定することにより、上記の経験則を定量的に再 現できました。つまり、イオンの拡散が電池容量の支配要因、であることの実験的証拠を捉えました。 本研究成果は、アメリカ応用物理学会が発行する雑誌「APL Materials」のオンライン版に10 月19 日付け で公開されました。 研究の背景 リチウムイオン二次電池は、スマートフォン等の情報機器だけでなく、電気自動車の電源への応用が期待されて います。しかしながら、リチウムは希少元素であり、海外（チリ、中国、ロシア、アメリカ）からの輸入に頼っています。そ のため、豊富で安価なナトリウムに置き換えたナトリウムイオン電池の開発が進められています。安価な大型ナトリウ ムイオン二次電池が実現すれば、天候に左右されやすい風力発電や太陽光発電を安定に使用することができま す。 実用化されている二次電池の電極では、イオンを出し入れする正極材料に加え、伝導性を高める炭素系導電材 とAl 箔集電極に接合させる高分子バインダーが混合されています。そのため、電圧分布や界面状態が複雑になり、 電池容量が電流密度に依存するメカニズムはよくわかっていませんでした。そこで、本研究グループは最も典型的 な正極材料であるNa CoO に焦点を当て、成膜条件（膜厚）の異なる薄膜電極を用いた精密実験を行いました。薄 x 2 1 膜電極では、全ての正極材料粒子に電圧が印加されます。その結果、イオンの拡散が電池容量の支配要因、であ ることの実験的証拠を捉えました。 図1 正極材料Na CoO の結晶構造。大きな球はナトリウムイオン、青丸と赤 x 2 丸はそれぞれ遷移金属と酸素イオンを示す。 研究内容と成果 Na CoO 薄膜電極は、レーザー蒸着法（注 2）で金箔集電極の上に堆積し、バインダーなどの混合物を含めずに x 2 作成しました。堆積時間を10 分、30 分、60 分、と変え、薄膜電極の膜厚と粒子半径を制御しました。膜厚はSEM 2 または触式段差系で、粒子半径はSEM で決定しました。薄膜の面積は0.5cm です。放電曲線はビ