Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

レーザ照射 / ナノ粒子 / ナノファイバー / シリコン / カーボン / 複合粒子 / リチウムイオン電池 / 負極材料

電気自動車やスマートハウスの普及に伴い，リチウムイオン電池の高容量化が求められている．従来の炭素電極の代わりに高容量化の見込めるシリコン負極の研究が進められているが，シリコン負極は充電時に体積膨張が生じるため，充放電を繰り返すとシリコン膜が崩壊する問題がある．本研究では，半導体産業から大量に排出させるシリコンスラッジに適量な炭素粉末を混合させ，高出力レーザを照射することによりシリコンと炭素からなる複合ナノワイヤを生成させ，集電体である銅箔表面へ堆積させる．これにより高性能な負極を創製し，シリコン負極の諸問題を解決する. 本研究の目標を達成するために，まずレーザ照射による銅箔へのナノワイヤ堆積装置を構築する．そして，異なる重量比でSiスラッジとC粉末を混合させ，ターゲット試料を作成し，レーザ出力やパルス幅，パルス周波数，スキャン速度などを変化させて照射実験を行う．銅箔表面への複合ナノワイヤの堆積形態を観察し，ワイヤ形状や結晶構造，化学組成そして電気抵抗を評価する．R３年度において次の項目について研究を行った．（１）レーザ照射装置の構築：高出力レーザ発振器から出力されるレーザビームを光学系によりターゲット表面へスキャン照射できるように実験装置を構築した．（２）Siスラッジ/炭素粉末の混合・分散方法の検討：様々な割合で炭素粉末をSiスラッジへ混入し分散させる．高品質の複合膜を得るには2種類の微粒子の均一分散が非常に重要であり，粉体ミキサを用いて攪拌方法や分散条件の最適化を行った．（３）ナノ構造体形成実験：異なる割合で混合したSiスラッジ/炭素粉末の混合物のレーザ照射による成膜実験を行う．生成された複合粒子やナノワイヤの表面・断面性状を走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡などなどを用いて観察した．また，照射条件による影響を調べた．

リチウムイオン電池 / シリコン負極 / レーザ照射 / マイクロピラー / 単結晶シリコン / 粉末 / 自己組織化 / 微細構造 / シリコン / 電池負極 / ナノ粒子 / 電極材料 / 微粒子

現在電子機器の消費電力の増加やスマートハウス，電気自動車などへの応用に伴い，リチウムイオン電池の高容量化が求められている．一方，半導体分野でSiウエハの生産においてワイヤソーによるインゴットの切断の際粒度がμmオーダーのSi粉末が切りくずとして大量に排出されいる．本研究では，銅箔上へ塗布された廃Si粉末へのナノ秒パルスレーザ照射を行った．その結果，Siマイクロピラーの形成に成功し，レーザフルエンスおよび走査速度を変化させることでピラーの高さの制御,レーザの照射角度を変化させることでピラーの形成方向の制御が可能であった．作製したSiピラーが優れたサイクル特性を示した.

本手法で生成したSiマイクロピラー構造は充電時のSi体積膨脹を吸収できるため，電極表層脱落や破砕を抑制し，長寿命のSi電極が製作可能となる．また，Si/Cuの界面溶融を用いたマイクロピラーの集電体への強固な結合によって構造体の強度を向上させ，電気抵抗も大幅に低減させることが可能である．本研究の成果により，産業廃棄物とされている大量なSi切りくずが新しいLiイオン電池の原料へ変身することが可能となる．この試みは学術的にも産業的にもチャレンジ性の非常に高い研究課題であり，本研究の成果により特にエネルギー産業に大きな波及効果がもたらされると考えられる．

リチウムイオン2次電池 / 電極 / ナノサイズ効果 / 正極材料 / ナノ粒子 / ナノイオニクス / リチウムイオン電池

リチウムイオン2次電池の高性能化のために電極材料のナノ化を行い、表面積の増加に伴う電気化学特性の変化を解明した。LiCoO_2については、ナノ化に伴い表面近傍のコバルトが還元されており、15nm以下のナノ化は容量・電位の低下により電極特性の劣化が著しいことが分かった。LiMn_2O_4については、ナノ化に伴い構造変化が緩和し、バルク材料では利用できない酸化還元反応についても利用可能になることを明らかにした。

【研究協力者】
野口淳
砂場勇輝
百木航
寺師吉建
立川直樹
片山靖