【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.02】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23KU0037

利用課題名 / Title

リチウムイオン電池用高Ni含有Li金属酸化物の耐水性の解析のためのTEM-EDX、TEM-EELSによる粒子表面組成解析

利用した実施機関 / Support Institute

九州大学 / Kyushu Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

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）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（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

二次電池/ Secondary battery,電子顕微鏡/ Electronic microscope

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)

松本 太

所属名 / Affiliation

神奈川大学化学生命学部応用化学科

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

前野　宏志

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）-

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

KU-004：広電圧超高感度原子分解能電子顕微鏡

報告書データ / Report

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

リチウムイオン二次電池に用いられる正極材料は水分に対して耐性が低く、正極を作製する場合、水分が非常に低い環境で行わなければならないという問題がリチウムイオン電池の製造コストを下げられない要因の一つとなっている。本研究では様々なタイプの正極材料があることからどの材料がどの程度水分に対して弱いのか、さらに水とどのような反応によって正極材料の構造が破壊されるのかを明らかにすることを目的としている。TEM観察では水分に長時間暴露した後の正極粒子表面の元素組成を分析することを目的とした。

実験 / Experimental

用いた正極材料はリチウムイオン電池の製造に用いられている実際のものを用いた。温度25℃、湿度20%の環境に10、30日暴露したサンプルと水分に暴露しなかった3条件での比較を行った。3条件のサンプルを用いて電池を作製し、正極の性能試験を行うものとサンプルの化学分析をTEMおよびXPSを用いて行った。XPSは大学に設置されているラボ機を用いた。

結果と考察 / Results and Discussion

本研究では、LiFePO₄, LiMn₂O₄, LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂, LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂の正極材料を研究対象とした。Fig. 1にこれの正極材料を用いて温度25℃、湿度20%の環境に10、30日暴露したサンプルと水分に暴露しなかった3条件でのサンプルを準備し、それらのサンプルを用いて正極を作製し、電池試験を行った結果を示す。電池業界で言われているような耐水性の性能の順番になった。この中で特にLiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂の水分に対する性能の低下は著しいことが確認できた。LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂と他の3つの正極材料の違いはNiの含有モルパーセントであり、Niの高含有率が原因と考察された。そこで水分に暴露されたLiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂のTEN-EDXマッピングを測定した。その結果をFig. 2示す。元素マッピングの結果、粒子表面からNi元素が無くなっていることが明確に分かった。表面状態をXPSで検討したが、粒子表面の現象であるため、XPSでの分析では情報が得られなかった、そのため表面の限定的な電子状態の分析を目的に、水分に暴露された粒子表面に残された元素の電子状態をTEM-EELSで測定を試みたが、粒子の厚さが問題となりTEL-EELSでの測定ができなかった。今後はより小さな粒子を用いてTEM-EELSを用いて粒子表面でどのような現象が起こっているのかの検討を行う予定である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 水分暴露および非暴露の正極材料を用いて作製した電池の充放電サイクル試験結果

Fig. 2 LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂正極材料の水分暴露後のTEM-EDX観察結果. 25℃、20％湿度、30日後のサンプルを使用.

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)

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