【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.26】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22TU0101

利用課題名 / Title

水素化物カルシウム電解液を用いたカルシウム電池電極の評価

利用した実施機関 / Support Institute

東北大学 / Tohoku Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion

キーワード / Keywords

エネルギー関連材料, 電池電極材料,電子顕微鏡/Electron microscopy,二次電池/ Secondary battery

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

木須 一彰

所属名 / Affiliation

東北大学 金属材料研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

TU-504：超高分解能透過電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

カルシウム電池は、資源性と電池特性に優れる蓄電デバイスとして注目されている一方、有効な電極材料及び電解質がないことが課題であった。近年、申請者は錯体水素化物を用いた新規電解質を開発したことで、電極材料と組み合わせにより、カルシウム電池を動作させることが可能となった。本研究では、新規電極材料である硫化物/カーボン複合体を作成し、構造解析と電気化学によって、電池特性を評価している。高解像度のTEM観察によって、電極材料の詳細な構造を解析し、電気化学特性との関係性を明らかにすることによって、更なる高性能化を目指す指針を得ることを目的としている。

実験 / Experimental

材料合成として、高比表面積を有する炭素材料（ケッチェンブラック）と界面活性剤（CTAB）の共存化における水熱合成によって、遷移金属硫化物をカーボン材料内に担持させた材料の合成を検討した。得られた粉末試料をカルシウム蓄電池用正極材料として電気化学評価した結果、良好な充放電特性を示した。本課題では、この良好な特性の要因として挙げられる遷移金属硫化物の粒子形態について、電子顕微鏡によって観察を行った。合成した粉末試料（遷移金属硫化物と炭素材料の複合体）をエタノールに分散させ、分散液をTEMグリッド（カーボン20支持膜 200mesh Cu）状に滴下することで観察試料を準備した。超高分解能透過電子顕微鏡（JEM-ARM200F）を用いて、作成したTEMグリッド状の複合体材料の形態観察等を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

電子顕微鏡によって観察された粉末試料の凝集体はおよそ数マイクロメートルであり、その凝集体はカーボン材料と遷移金属硫化物によって構成されていることが確認された。凝集体内には、20nmから100nm程度の小さい遷移金属硫化物がカーボン材料上に高分散に担持されており、粒子同士の凝集等は見られなかった。観察された領域におけるEDSマッピングからは、カーボン材料に担持されている硫化物内における、硫黄と遷移金属は一応に分布しており、偏析等は起きていないことが確認された（図1）。これらの観察結果から、合成された遷移金属硫化物炭素複合体のカルシウム蓄電池用正極材料としての優れた電気化学特性は、粒子径の小さい硫化物材料が凝集することなくカーボン状に担持されており、良好で短いイオンパスが形成されたことに由来していると考察された。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1. 遷移金属硫化物炭素材料複合体の電子顕微鏡観察像およびEDSによる元素マッピング

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Kazuaki Kisu, Calcium Metal Batteries with Long Cycle Life Using a Hydride‐Based Electrolyte and Copper Sulfide Electrode, Advanced Science, 10, (2023).
   DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202301178
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件