結晶成長   アパタイト   バイオミネラル   エネルギー材料  
ナノブロック   シリカ・量子ドット   低次元ナノ材料   有機結晶・高分子

研究背景

 リチウムイオン二次電池を大型蓄電デバイスなどに応用するうえで、電極材料の特性向上が求められている。特に、レート特性(どれだけ短時間で充放電できるか)とサイクル特性(どれだけ繰り返し充放電できるか)が重要である。
そこで我々はメソクリスタル構造に注目した。その特徴としては、ナノメートルサイズの結晶が方位をそろえて集積していることが挙げられる(図1)。我々は、メソクリスタル構造を有するリチウムイオン二次電池の電極材料を作製し、特性を向上させることを目標としている。

図1 メソクリスタル構造

研究成果

 我々は以下の3つのアプローチでメソクリスタル構造体を作製した。

@ ゲルマトリクス中での結晶成長

 ゲルマトリクス中で結晶を成長させることで、MnCO3メソクリスタル構造体の作製に成功した。また、これを前駆体としてLiMn2O4メソクリスタル構造体を作製した(図2)。LiMn2O4メソクリスタル構造体は、LiMn2O4多孔質体に比べて高いレート特性を示した。

図2 LiMn2O4メソクリスタル構造

A 中間体を経由したトポタクティック変換

 中間体を経由し、トポタクティック変換を利用することで、LiCoO2メソクリスタル構造体の作製に成功した。LiCoO2メソクリスタル構造体は、LiCoO2緻密体・多孔質体に比べて高いレート特性・サイクル特性を示した(図3)。

図3 LiCoO2メソクリスタル構造体

B 有機高分子による結晶成長制御・集積

 有機高分子を添加し、結晶成長を制御することで、Li2MnSiO4メソクリスタル構造体の作製に成功した(図4)。Li2MnSiO4メソクリスタル構造体は、Li2MnSiO4多孔質体に比べて高いレート特性を示した。

図4 Li2MnSiO4メソクリスタル構造体

 以上のように、メソクリスタル構造を有する電極材料は優れた特性を示すことが明らかになった。