リチウムイオン二次電池用シリコン系負極材の開発動向

Recent Developments of Silicon Anodes for Lithium Ion Batteries

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【第 I 編　負極開発】
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第1章　鱗片状アモルファスSi粉末(Si LeafPowderⓇ)の負極特性
1　はじめに
2　鱗片状Si粉末の作製
3　鱗片状Si負極のサイクル特性
4　充放電サイクルによる鱗片状Si電極の形態変化
5　Siの酸化と充放電特性および電極形態変化への影響
6　まとめ

第2章　切粉由来シリコンナノ粒子の負極応用
1　はじめに
2　シリコン切粉
3　シリコン切粉電極
　3.1　シリコン切粉電極を用いたセルの作製
　3.2　シリコン切粉電極を用いたセルの特性
　3.3　充放電曲線の解析による反応メカニズムの解明
　3.4　炭素材料を用いたシリコン切粉電極の特性向上
4　おわりに

第3章　レーザ照射による廃シリコン粉末からのマイクロピラー形成とその負極特性
1　はじめに
2　廃Si粉末の形成
3　Siマイクロピラーの形成原理と大きさ制御
4　実験装置と方法
5　結果および考察
　5.1　塗布膜厚によるピラー大きさ制御
　5.2　負極の電気化学特性
　5.3　充放電による負極形態の変化
　5.4　充放電後の電極成分
　5.5　充放電後の負極形態における塗布膜厚の影響
6　おわりに

第4章　シリコン(Si)系負極材料の開発に向けたエルケムシルグレインの開発
1　はじめに
2　シリコン製造に関して
　2.1　冶金グレードのSi
　2.2　エルケム社でのシリコン製造方法(エルケムシルグレンⓇ)
　2.3　微粉末シリコンについて
3　負極材に向けたシリコン粉末の開発と電池特性
　3.1　負極材向けの開発について
　3.2　電池特性に関して
4　おわりに

第5章　ナノシリコンの合成と負極特性
1　序文
2　Nanomakersとレーザー熱分解法
3　なぜ電池にシリコンが使用されるようになるのか
4　なぜレーザー熱分解法でシリコンに炭素コーティングが行われるのか
5　結論と今後の展望

第6章　SiOナノ薄膜の形成と負極への応用
1　はじめに
2　蒸着膜の生成
3　導電助剤膜の積層
4　ハーフセルでの充放電特性
5　製品化への課題
6　おわりに

第7章　プラズマスプレーPVDによるSi系ナノ粒子の高次構造化
1　はじめに
2　電極材料製造法におけるPS-PVDの位置づけ
3　PS-PVDによるSiナノ粒子作製
　3.1　ナノ粒子作製および評価手順
　3.2　Si系ナノ粒子
　3.3　SiO系ナノ粒子
4　おわりに

第8章　Liプレドープ法によるSi負極の効果的アクティベーションと界面安定化
1　はじめに
2　Liプレドープ法
　2.1　炭素負極へのLiプレドープ
　2.2　Si負極へのLiプレドープ
3　LiプレドープがSi負極へ及ぼす効果
　3.1　LiプレドープSi負極の充放電特性
　3.2　LiプレドープによるSi負極・粒子の形態変化
　3.3　Liプレドープ反応の速度と深度
　3.4　LiプレドープによるSEI皮膜形成と界面安定化
　3.5　アクティベーションと界面安定化のメカニズム
4　おわりに

第9章　ロールtoロールLiプレドープ技術
1　プレドープについて
2　プレドープの効果
3　ロールtoロールLiプレドープ技術
　3.1　設備概要(装置構成)
　3.2　ロールtoロールLiプレドープ技術の主な特長
4　今後の展開

第10章　リチウムプリドーピングを容易にするシリコン電極穿孔技術
1　はじめに
2　シリコン系負極に適したレーザ連続穿孔技術
　2.1　穿孔技術開発
　2.2　従来のレーザ加工技術について
　2.3　独自の光学設計と新型スキャナ
3　レーザ穿孔電極を用いたリチウムプリドーピングプロセスと電池製造技術
　3.1　レーザ穿孔電極を用いた電池構成
　3.2　リチウムプリドーピングとプリドーピング進行度の確認
4　Si負極へのリチウムプリドーピングと電池特性
5　SiO負極へのリチウムプリドーピングと電池特性
6　おわりに

第11章　負極用炭素へのシリコン/熱分解炭素コーティング
1　CVD法による負極材料へのシリコン/熱分解炭素コーティング
2　難黒鉛化性炭素繊維/シリコン膜/熱分解炭素膜からなる複合負極材料の合成と評価
　2.1　試料の合成,特性評価と条件
　2.2　構造,電気化学的特性の解析
3　天然黒鉛粒子/シリコン膜/熱分解炭素膜からなる複合負極材料の合成と評価
　3.1　試料の合成,特性評価と条件
　3.2　構造,電気化学的特性の解析
4　シリコンナノ粒子/熱分解炭素膜からなる複合負極材料の合成と評価
　4.1　試料の合成,特性評価と条件
　4.2　構造,電気化学的特性の解析

第12章　高容量Si-Sn-Ti合金負極の研究開発
1　緒言
2　急冷凝固法によるSi相アモルファス化の検討
　2.1　実験方法
　2.2　Si合金のアモルファス形成能の計算方法
　2.3　Si-Sn-Ti合金組成違いでの耐久性評価結果および考察
3　急冷凝固法+MA法でのアモルファス化の検討
　3.1　実験方法
　3.2　急冷凝固での析出シミュレーション計算方法
　3.3　急冷条件違い品のMAでの耐久性向上結果,および,考察
4　高容量と高サイクル耐久性を両立できるSi合金
　4.1　実験方法
　4.2　急冷法とMA法の組み合わせで作製したSi65Sn5Ti30合金の評価結果
　4.3　合金微細組織・構造による高容量と高耐久性の両立の考察
5　まとめ

第13章　アトマイズ法により作製したLiイオン電池負極材用Si合金粉末の高特性化
1　はじめに
2　ガスアトマイズ法によるSi合金粉末の作製
　2.1　Siの合金化について
　2.2　ガスアトマイズ法によるSi合金粉末の作製
3　合金系と電極特性の関係
　3.1　合金系と構成相
　3.2　合金の電極特性評価結果
　3.3　複合化した相の物性とSi合金の電極特性への影響
4　複合化する相の割合の最適化
5　おわりに

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【第 II 編　デバイス応用】
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第1章　シリコン負極用ポリイミドバインダー(UPIA/ユピア)
1　ポリイミドとは
2　シリコン負極用バインダーに対する要求特性
3　脱有機溶剤ポリイミドバインダーへの期待
4　炭素・黒鉛/シリコン系負極の特性について
　4.1　電池特性評価(ハーフセル)
　4.2　電池特性評価(ラミネート型フルセル)
5　シリコン系負極の特性について
　5.1　電池特性評価(ハーフセル)
　5.2　電池特性評価(コイン型フルセル)
　5.3　電池特性評価(ラミネート型フルセル)

第2章　シリコン負極用無機ケイ酸系バインダー
1　はじめに
2　無機ケイ酸系バインダーの特徴
3　無機ケイ酸系バインダーをコートしたSi負極の熱処理温度
4　おわりに

第3章　シリコン負極用高比表面積銅系集電体
1　はじめに
2　電気めっき法によるカーボンナノチューブの基板表面への固定化
3　カーボンナノチューブ複合基板の電気化学的挙動
4　Cu/VGCF複合集電体のSi負極への適用
5　おわりに

第4章　高容量負極用鉄系金属箔集電体
1　緒言
2　LIBの構造と集電体
3　電解液中での耐食性と集電体の候補材料
4　Niめっき鋼板の諸特性
5　LIBの高エネルギー密度化に向けた取り組み
　5.1　高容量負極と集電体に求められる機械的特性
　5.2　鉄系金属箔の優れた機械的特性を活かした高容量負極の実現
　5.3　鉄系金属箔集電体の厚み
6　鉄系金属箔の電気的特性
7　LIBの安全性や信頼性向上に向けた取り組み
8　結言

第5章　電極-電解質界面の最適化
1　はじめに
2　実験方法
3　容量規制条件下におけるSi系電極のサイクル寿命
4　充放電サイクルにともなうSi系電極の厚さの推移
5　電極断面におけるSiとLiとの反応部位の分布
6　充放電試験前後におけるSi系電極の表面形状の変化
7　Li-Si合金相の相転移挙動
8　Li+拡散係数の違い
9　おわりに

第6章　固体電池へのシリコン負極の適用
1　はじめに
2　充放電時に体積変化を経験する負極活物質の課題
3　有機電解液に替えて無機固体電解質を用いることによる活物質・電解質界面の安定化
4　ナノ多孔構造導入による活物質材の微粉化回避
5　おわりに

第7章　Liイオン二次電池における合剤分散性評価およびin situ顕微鏡観察(Liイオン拡散,膨張収縮,デンドライト発生)
1　電極合剤の分散状態が信頼性に及ぼす影響
2　負極断面における合剤分散性の観察
3　in situ顕微鏡観察によるLIB内部の解析
　3. 1　電極断面のin situ顕微鏡観察
　3. 2　グラファイト負極における充放電の色変化観察
　3. 3　グラファイト負極の過充電によるLiデンドライト発生過程の観察
　3. 4　グラファイト/SiO系負極の充放電による厚み変化解析

第8章　サイクル試験による耐久試験後のSiO/炭素系負極のSEI被膜,負極合剤層の分布評価
1　はじめに
2　LIB負極の劣化分析
　2.1　試料前処理と測定手法
3　サイクル試験におけるSiO/炭素系負極の劣化分析事例
　3.1　分析に使用した試作セルの詳細
　3.2　SEI被膜の構造解析
　3.3　活物質粒子の劣化分析
4　おわりに

第9章　SEM,ECCS,AFMによる電極観察
1　はじめに
2　SEMによる観察
3　ECCSによる観察
4　AFMによる観察
5　さいごに