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6Li同位体交換によるリチウムイオン電池正極材中のLi拡散機構の研究

長谷川 源 東北大学

2021.03.25

概要

本研究では Li 組成依存性をはじめとするリチウムイオン電池の動作環境における正極材の Li 拡散係数の測定法を確立し,リチウムイオン電池正極材料における拡散現象の理解を深めることを目的としていた.

薄膜試料から拡散係数の情報を得るために「ステップ同位体交換法」を新たに開発し,主要な正極材である LiMn2O4 と LiCoO2 に適用した.室温での評価が可能なため,熱的に不安定になりやすいLi 脱離した試料においても安定して拡散係数を評価することができた.これにより,Li 組成が広い範囲で変化する正極材においては,空孔量の変化が大きい化学量論組成近傍で拡散係数が大きく上昇することがわっかった.この振る舞いはおおよそ空孔濃度に比例するものであり,空孔拡散機構がともに支配的であることが示された.従来の電気化学的測定との比較では化学量論組成近傍での自己拡散は小さいが,化学ポテンシャル勾配を与える化学拡散においては熱力学因子の補正により化学量論組成近傍でも比較的容易に Li の化学拡散ができることがわかった.

また,伝導度拡散係数と自己拡散係数の比較では LMO において𝐷𝜎 > 𝐷∗関係が成り立っており,これは Li 同士の相互作用が Li+イオンの伝導機構に関与していることが示唆された.

LCO 薄膜においては試料の配向性と測定された Li 拡散がバルクの空孔濃度に大きく依存したことなどから従来の粒界拡散とは異なり特定の欠陥構造を経由した不連続な拡散と面内拡散が組み合わさることで c 軸方向に拡散する新たなモデルを提案し,その実現可能性に関して第一原理計算を用いて議論した.

LCO の持つ高速拡散の測定には FZ 法で作製された大型の LCO 単結晶と交換速度の速い水系の電解液を用いることでその測定を可能にした.さらに観察中に拡散が進行させないいために液体窒素で冷却しながら SIMS 測定を行うことでより正確な測定を可能にした.

これにより他の測定法と関係性が不明瞭であった核磁性を用いた拡散係数がどのように比較できるかが明確になった.また,改めて電気化学的な測定法の限界が可視化された.また,従来の一般的な電解質の構成では LCO 単結晶の潜在能力を出し切れないことがわかった.

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参考文献

[1] The Royal Swedish Academy of Science, “Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2019”, the Nobel Prize, 9 October 2019, https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/press-release/.

[2] W. S. Harris, Electrochemical Studies in Cyclic Esters; PhD thesis, University of California, Berkeley, 1958.

[3] 日本化学会編,「化学便覧 基礎編」,改訂 5 版,丸善出版,2004.

[4] M. S. Whittingham, Science, 1976, 192, 1126–1127.

[5] M. S. Whittingham Proc. IEEE, 2012, 100, 1518–1534.

[6] K. Mizushima, P. C. Jones, P. J. Wiseman and J. B. Goodenough, Mater. Res. Bull., 1980, 15, 783–789.

[7] 吉野彰,実近健一,中島孝之,二次電池,特許第 2128922 号,1985 年 5 月 10 日.

[8] R. Fong, U. von Sacken and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 2009–2013.

[9] 平成 5 年機械統計年報,通商産業大臣官房調査統計部編,1993.

[10] 平成 6 年機械統計年報,通商産業大臣官房調査統計部編,1994.

[11] 平成 11 年機械統計年報,通商産業大臣官房調査統計部編,1999.

[12] 平成 16 年機械統計年報,経済産業省経済産業政策局調査統計部編,2006.

[13] 平成 21 年機械統計年報,経済産業省経済産業政策局調査統計部編,2009.

[14] 平成 26 年経済産業省生産動態統計年報 機械統計編,経済産業省大臣官房調査統計グループ編,2014.

[15] 2019 年経済産業省生産動態統計年報 機械統計編,経済産業省大臣官房調査統計グループ編,2019.

[16] NEDO 技術戦略研究センターTSC Foresight, vol.20「電力貯蔵分野の技術戦略策定に向けて」,2017 年 7 月 14 日,https://www.nedo.go.jp/library/foresight.html/.

[17] 九州電力送配電株式会社,「でんき予報」,2020 年 11 月 4 日,https://www.kyuden.co.jp/td_power_usages/pc.html/.

[18] 旭タンカー株式会社,「世界初ゼロエミッション電気推進タンカー2 隻 建造発注に関するお知らせ」,2020 年 10 月 8 日,https://www.asahi-tanker.com/news-release/2020/303/.

[19] 日産自動車株式会社,「リーフ[LEAF]Web カタログ」,https://www3.nissan.co.jp/vehicles/new/leaf.html/.

[20] Tesla, Inc.,「Powerpack 電力系統用」,https://www.tesla.com/jp/utilities/.

[21] 喜多英明,魚崎浩平 著,「電気化学の基礎」,技報堂出版,1983.

[22] T. Kudo and M. Hibino, Electrochim. Acta, 1998, 43, 781–789.

[23] 工藤徹一,日比野光宏,本間格 著,「リチウムイオン電池の科学 ホスト・ゲスト系電極の物理化学からナノテク材料まで」,内田老鶴圃,2010.

[24] C.Wagner, Prog. Solid State Chem., 1975. 10, 3–16.

[25] J. Maier, Z. Phis. Chem., 1984, 140, 191–215.

[26] I. Yokota, J. Phis. Soc. jpn., 1961, 16, 2213–2223.

[27] W. Preis and W. Sitte, Solid State Ionics, 1996, 86–88, 779–784.

[28] N. J. Dudney and Y.-I. Jang, J. Power Sources, 2003, 119–121, 300–304.

[29] Y. Matsuda, N. Kuwata and J. Kawamura, Solid State Ionics, 2018, 320, 38–44.

[30] H. Mehrer, “Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes”, Springer-Verlag,2007.

[31] R. Kubo, Reports Prog. Phys., 1966, 29, 255–284.

[32] J. Crank, “The Mathematics of Diffusion”, Oxford University Press, 1979.

[33] C. Montella, J. Electroanal. Chem., 2002, 518, 61–83.

[34] B. C.H. Steele, J. A. Kilner, P. F. Dennis, A. E. McHale, M. Van Hemert and A. J. Burggraaf, Solid State Ionics, 1986,18–19, 1038–1044.

[35] C. J. Wen, B. A. Boukamp, R. A. Huggins and W. Weppner, J. Electrochem. Soc., 1979, 126, 2258–2266.

[36] W. Weppner and R. A. Huggins, J. Electrochem. Soc., 1977, 124, 1569–1578.

[37] A. Honders, J. M. der Kinderen, A. H. van Heeren, J. H. W. de Wit and G. H. J. Broers, Solid State Ionics, 1985, 15,265–276.

[38] M. G. S. R. Thomas, P. G. Bruce and J. B. Goodenough, Solid State Ionics, 1985,17, 13–19.

[39] Y. M. Choi, S. Il Pyun, J. S. Bae and S. I. Moon, J. Power Sources, 1995, 56, 25– 30.

[40] J. Barker, R. Pynenburg, R. Koksbang and M. Y. Saidi, Electrochim. Acta, 1996,41, 2481–2488.

[41] D. Aurbach, M. D. Levi, E. Levi, H. Teller, B. Markovsky, G. Salitra, U. Heider and L. Heider, J. Electrochem. Soc., 1998, 145, 3024–3034.

[42] M. D. Levi, G. Salitra, B. Markovsky, H. Teller, D. Aurbach, U. Heider and L. Heider, J. Electrochem. Soc., 1999, 146, 1279–1289.

[43] M. Okubo, Y. Tanaka, H. Zhou, T. Kudo and I. Honma, J. Phys. Chem. B, 2009,113, 2840–2847.

[44] K. Dokko, M. Mohamedi, Y. Fujita, T. Itoh, M. Nishizawa, M. Umeda and I. Uchida, J. Electrochem. Soc., 2001, 148,A422–A426.

[45] C. H. Chen, A. A. J. Buysman, E. M. Kelder and J. Schoonman, Solid State Ionics,1995, 80, 1–4.

[46] K. A. Striebel, C. Z. Deng, S. J. Wen and E. J. Cairns, J. Electrochem. Soc., 1996,143, 1821–1827.

[47] H. Sato, D. Takahashi, T. Nishina and I. Uchida, J. Power Sources, 1997, 68,540–544.

[48] J. M. McGraw, C. S. Bahn, P. A. Parilla, J. D. Perkins, D. W. Readey and D. S. Ginley, Electrochim. Acta, 1999, 45,187–196.

[49] Y.-I. Jang, B. J. Neudecker and N. J. Dudney, Electrochem. Solid-State Lett., 2001, 4,A74–A77.

[50] Y. Iriyama, M. Inaba, T. Abe and Z. Ogumi, J. Power Sources, 2001, 94, 175– 182.

[51] P. J. Bouwman, B. A. Boukamp, H. J. M. Bouwmeester and P. H. L. Notten, J. Electrochem. Soc., 2002, 149, A699–A709.

[52] H. Xia, L. Lu and G. Ceder, J. Power Sources, 2006, 159, 1422–1427.

[53] H. Xia and L. Lu, Electrochim. Acta, 2007, 52, 7014–7021.

[54] S. B. Tang, M. O. Lai and L. Lu, J. Alloys Compd., 2008, 449, 300–303.

[55] S. Shiraki, H. Oki and T. Hitosugi, Surf. Interface Anal., 2016, 48, 1240–1243.

[56] M. Y. Saı̈ di, J. Barker and R. Koksbang, J. Solid State Chem., 1996, 122, 195–199.

[57] F. Cao and J. Prakash, Electrochim. Acta, 2002, 47, 1607–1613.

[58] M. Nishizawa, T. Uchiyama, K. Dokko, K. Yamada, T. Matsue and I. Uchida, Bull. Chem. Soc. Jpn., 1998, 71, 2011–2015.

[59] C. Julien, E. Haro-Poniatowski, M. A. Camacho-Lopez, L. Escobar-Alarcon and J. Jimenez-Jarquin, Mater. Sci. Eng. B Solid-State Mater. Adv. Technol., 2000, 72, 36–46.

[60] D. Shu, K. Y. Chung, W. Il Cho and K. B. Kim, J. Power Sources, 2003, 114,253–263.

[61] S. B. Tang, M. O. Lai and L. Lu, Mater. Chem. Phys., 2008, 111, 149–153.

[62] D. W. Mccall, D. C. Douglass and E. W. Anderson, Berichte der Bunsengesellschaft für Phys. Chemie, 1963, 67, 336–340.

[63] K. Nakamura, H. Ohno, K. Okamura, Y. Michihiro, T. Moriga, I. Nakabayashi and T. Kanashiro, Solid State Ionics, 2006, 177, 821–826.

[64] A. Kuhn, S. Narayanan, L. Spencer, G. Goward, V. Thangadurai and M. Wilkening,Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., 2011, 83, 1–11.

[65] V. W. J. Verhoeven, I. M. De Schepper, G. Nachtegaal, A. P. M. Kentgens, E. M. Kelder, J. Schoonman and F. M. Mulder, Phys. Rev. Lett., 2001, 86, 4314–4317.

[66] J. Sugiyama, K. Mukai, Y. Ikedo, H. Nozaki, M. Månsson and I. Watanabe, Phys. Rev. Lett., 2009, 103, 147601.

[67] J. Sugiyama, J. Phys. Soc. Japan, 2013, 82, SA023.

[68] J. Sugiyama, H. Nozaki, J. H. Brewer, E. J. Ansaldo, G. D. Morris and C. Delmas,Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., 2005, 72, 1–9.

[69] K. Mukai, Y. Ikedo, H. Nozaki, J. Sugiyama, K. Nishiyama, D. Andreica, A. Amato, P. L. Russo, E. J. Ansaldo, J. H. Brewer, K. H. Chow, K. Ariyoshi and T. Ohzuku, Phys. Rev. Lett., 2007, 99, 1–4.

[70] Y. Ikedo, J. Sugiyama, O. Ofer, M. Månsson, H. Sakurai, E. Takayama- Muromachi, E. J. Ansaldo, J. H. Brewer and K. H. Chow, J. Phys. Conf. Ser., 2010, 225, 012017.

[71] A. Van der Ven and G. Ceder, Electrochem. Solid-State Lett., 2000, 3, 301–304.

[72] V. F. Sears, Neutron News, 1992, 3, 26–37.

[73] S. Takai, K. Yoshioka, H. Iikura, M. Matsubayashi, T. Yao and T. Esaka, Solid State Ionics, 2014, 256, 93–96.

[74] K. Kamazawa, H. Nozaki, M. Harada, K. Mukai, Y. Ikedo, K. Iida and T. J. Sato,Phys. Rev. B, 2011, 83, 94401.

[75] N. Kuwata, M. Nakane, T. Miyazaki, K. Mitsuishi and J. Kawamura, Solid State Ionics, 2018, 320, 266–271.

[76] T. Ishigaki, S. Yamauchi, J. Mizusaki, K. Fueki and H. Tamura, J. Solid State Chem., 1984, 54, 100–107.

[77] R. A. De Souza and J. A. Kilner, Solid State Ionics, 1998, 106, 175–187.

[78] A. V. Berenov, J. L. MacManus-Driscoll and J. A. Kilner, Solid State Ionics, 1999,122, 41–49.

[79] K. Watanabe, I. Sakaguchi, S. Hishita, N. Ohashi and H. Haneda, Appl. Phys. Express, 2011, 4, 055801.

[80] M. M. Thackeray, W. I. F. David, P. G. Bruce and J. B. Goodenough, Mater. Res. Bull., 1983, 18, 461–472.

[81] B. Xu and S. Meng, J. Power Sources, 2010, 195, 4971–4976.

[82] M. Nakayama, M. Kaneko and M. Wakihara, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14,13963–13970.

[83] H. Abiko, M. Hibino and T. Kudo, Electrochem. Solid-State Lett., 1999, 1, 114–116.

[84] K. Y. Chung, H. S. Lee, W.-S. Yoon, J. McBreen and X.-Q. Yang, J. Electrochem. Soc., 2006, 153, A774–A780.

[85] M. Bianchini, E. Suard, L. Croguennec and C. Masquelier, J. Phys. Chem. C, 2014,118, 25947–25955.

[86] Y. H. Wen, E. B. Yang, S. J. Xiang, L. A. Fu and S. Q. Fang, J. Radioanal. Nucl. Chem., 2001, 247, 199–203.

[87] C. Julien, E. Haro-Poniatowski, M. A. Camacho-Lopez, L. Escobar-Alarcon and J. Jimenez-Jarquin, Mater. Sci. Eng. B Solid-State Mater. Adv. Technol., 2000, 72, 36–46.

[88] C. M. Julien and A. Mauger, Coatings, 2019, 9, 386.

[89] C. Schwab, A. Höweling, A. Windmüller, J. Gonzalez-Julian, S. Möller, J. R. Binder, S. Uhlenbruck, O. Guillon and M. Martin, Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 26066–26076.

[90] A. K. Hjelm and G. Lindbergh, Electrochim. Acta, 2002, 47, 1747–1759.

[91] I. Yamada, T. Abe, Y. Iriyama and Z. Ogumi, Electrochem. commun., 2003, 5, 502– 505.

[92] J. Rahn, E. Hüger, L. Dörrer, B. Ruprecht, P. Heitjans and H. Schmidt, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 2427–2433.

[93] J. Rahn, P. Heitjans and H. Schmidt, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 15557–15561.

[94] J. C. Fisher, J. Appl. Phys., 1951, 22, 74–77.

[95] R. T. P. Whipple, London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci., 1954, 45, 1225– 1236.

[96] Q. Shi, Y. Takahashi, J. Akimoto, I. C. Stefan and D. A. Scherson, Electrochem. Solid-State Lett., 2005, 8, 4–8.

[97] K. Hoang, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 18271–18280.

[98] E. Lee, K. R. Lee and B. J. Lee, J. Phys. Chem. C, 2017, 121, 13008–13017.

[99] A. Van Der Ven, J. Bhattacharya and A. A. Belak, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1216– 1225.

[100] M. Hirayama, H. Ido, K. Kim, W. Cho, K. Tamura, J. Mizuki and R. Kanno, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132,15268–15276.

[101] S. Kim and S. Pyun, Electrochim. Acta, 2001, 46, 987–997.

[102] K. Dokko, M. Mohamedi, M. Umeda and I. Uchida, J. Electrochem. Soc., 2003,150, A425-A429.

[103] M. D. Chung, J. H. Seo, X. C. Zhang and A. M. Sastry, J. Electrochem. Soc., 2011,158, A371–A378.

[104] G. E. Murch, Solid State Ionics, 1982, 7, 177–198.

[105] A. Van der Ven, G. Ceder, M. Asta and P. D. Tepesch, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., 2001, 64,184307.

[106] J. Howard, Z. D. Hood and N. A. W. Holzwarth, Phys. Rev. Mater., 2017, 1,075406.

[107] E. Bychkov, V. Tsegelnik, Y. Vlasov, A. Pradel and M. Ribes, J. Non. Cryst. Solids, 1996, 208, 1–20.

[108] M. Park, X. Zhang, M. Chung, G. B. Less and A. M. Sastry, J. Power Sources,2010, 195, 7904–7929.

[109] M. Nishizawa, T. Ise, H. Koshika, T. Itoh and I. Uchida, Chem. Mater., 2000, 12,1367–1371.

[110] J.-M. Tarascon and M. Armand, Nature, 2001, 414, 359–367.

[111] Y. Matsuda, N. Kuwata, T. Okawa, A. Dorai, O. Kamishima and J. Kawamura,Solid State Ionics, 2019, 335, 7–14.

[112] N. Kuwata, N. Iwagami, Y. Tanji, Y. Matsuda and J. Kawamura, J. Electrochem. Soc., 2010, 157, A521-A527.

[113] N. Kuwata, J. Kawamura, K. Toribami, T. Hattori and N. Sata, Electrochem. commun., 2004, 6, 417–421.

[114] S. Shiraki, T. Shirasawa, T. Suzuki, H. Kawasoko, R. Shimizu and T. Hitosugi,ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 41732–41737.

[115] H. Moriwake, A. Kuwabara, C. A. J. Fisher, R. Huang, T. Hitosugi, Y. H. Ikuhara, H. Oki and Y. Ikuhara, Adv. Mater., 2013, 25, 618-622.

[116] P. V. Ong, Z. Yang, P. V. Sushko and Y. Du, Formation, J. Phys. Chem. Lett., 2018,9, 5515–5520.

[117] N. Balke, S. Jesse, A. N. Morozovska, E. Eliseev, D. W. Chung, Y. Kim, L. Adamczyk, R. E. García, N. Dudney and S. V. Kalinin, Nat. Nanotechnol., 2010, 5, 749–754.

[118] N. Balke, S. Kalnaus, N. J. Dudney, C. Daniel, S. Jesse and S. V. Kalinin, Nano Lett., 2012, 12, 3399–3403.

[119] X. Zhu, C. S. Ong, X. Xu, B. Hu, J. Shang, H. Yang, S. Katlakunta, Y. Liu,X. Chen, L. Pan, J. Ding and R. W. Li, Sci. Rep., 2013, 3, 1084.

[120] M. Hayashi, M. Takahashi and Y. Sakurai, J. Power Sources, 2007, 174, 990–995.

[121] G. Kresse and J. Furthmüller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169–11186.

[122] D. Sheppard, R. Terrell and G. Henkelman, J. Chem. Phys., 2008, 128, 134106.

[123] G. Henkelman, B. P. Uberuaga and H. Jónsson, J. Chem. Phys., 2000, 113, 9901– 9904.

[124] J. N. Reimers and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 1992, 139, 2091–2097.

[125] G. G. Amatucci, J. M. Tarascon and L. C. Klein, J. Electrochem. Soc., 1996, 143,1114–1123.

[126] M. Inaba, Y. Iriyama, Z. Ogumi, Y. Todzuka and A. Tasaka, J. Raman Spectrosc., 1997, 28, 613–617.

[127] S. Levasseur, M. Ménétrier, Y. Shao-Horn, L. Gautier, A. Audemer, G. Demazeau, A. Largeteau and C. Delmas, Chem. Mater., 2003, 15, 348–354.

[128] R. Kutner, Phys. Lett. A, 1981, 81, 239–240.

[129] S. Takeuchi, H. Tan, K. K. Bharathi, G. R. Stafford, J. Shin, S. Yasui, I. Takeuchi and L. A. Bendersky, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 7901–7911.

[130] K. Kawashima, T. Ohnishi and K. Takada, ACS Appl. Energy Mater., (in press) DOI:10.1021/acsaem.0c01973.

[131] K. Kataoka and J. Akimoto, J. Ceram. Soc. Japan, 2019, 127, 521–526.

[132] Y. Maruyama, S. Minamimure, C. Kobayashi, M. Nagao, S. Watauchi and I. Tanaka, R. Soc. Open Sci., 2018, 5, 181445.

[133] S. Nakamura, A. Maljuk, Y. Maruyama, M. Nagao, S. Watauchi, T. Hayashi, Y. Anzai, Y. Furukawa, C. D. Ling, G. Deng, M. Avdeev, B. Büchner and I. Tanaka, Cryst. Growth Des., 2019, 19, 415–420.

[134] E. E. Levin, S. Y. Vassiliev and V. A. Nikitina, Electrochim. Acta, 2017, 228, 114–124.

[135] E. Lee, K. R. Lee and B. J. Lee, Comput. Mater. Sci., 2018, 142, 47–58.

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