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太陽電池生産時のシリコンのゴミ、リチウムイオン電池の負極に 新製造方法

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太陽電池生産時のシリコンのゴミ、リチウムイオン電池の負極に 新製造方法
レーザ焼結の有無による充放電後の電極表面形態の違い(左:焼結無、右:焼結有)

レーザ焼結の有無による充放電後の電極表面形態の違い(左:焼結無、右:焼結有)

慶應義塾大学は、半導体デバイスや太陽電池の生産過程で大量に発生する廃シリコン粉末を主原料にカーボンナノファイバーを添加し、レーザ焼結することで、多孔質の複合厚膜の創製に世界で初めて成功した。同開発を行ったのは、同大学の理工学部機械工学科の閻 紀旺(やん じわん)教授の研究グループ。

同研究成果は、高容量かつ低コストのリチウムイオン電池負極を作るための新しい製造プロセスの可能性を示す。

現在、携帯端末や電気自動車スマートハウスなどの増加により、リチウムイオン電池の高容量化が求められている。そのため、リチウムイオン電池の負極をグラファイトなどの炭素材から、約10倍の高容量化の見込めるシリコンに置き換える研究が数多く行われている。しかし、シリコン電極は、コストがかかることや電池寿命の低下などの課題を抱える。

同研究では、半導体デバイスや太陽電池の生産過程で大量発生する、産業廃棄物のシリコン粉末を再利用し、リチウムイオン電池負極を製造することを目的として、レーザ焼結技術を用いて銅箔表面への厚膜創製を試みた。膜の導電性および機械的強度を高めるため、廃シリコン粉末の中にカーボンナノファイバーを付加し、様々な条件でレーザ焼結実験を行った結果、シリコンとカーボンナノファイバーとの強固な結合が得られ、ネットワーク構造を有する多孔質複合膜の形成に成功した。

さらに、レーザの出力と膜の気孔率との相関性やレーザ照射により膜中のシリコンの結晶性制御の可能性などを見いだした。また、レーザ焼結プロセスの高速化によって、生産コストの課題を克服した。

同研究成果の一部は、2015年1月5日に、応用物理学会のレター誌「Applied Physics Express」のオンライン版で公開された。

【参考】
慶應義塾大学 - 廃シリコン粉末のレーザ焼結による多孔質複合厚膜の創製に成功

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