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慶大、レーザ照射によるシリコンマイクロピラーの形成に成功

2017/7/20 18:05
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発表日:2017年7月20日

レーザ照射によるシリコンマイクロピラーの形成に成功

-次世代リチウムイオン電池負極製造へ期待-

 

 慶應義塾大学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(※1)を主原料にバインダーや導電助剤などを添加し、銅箔表面へ塗布した後、特定条件下でのレーザ照射技術を用いて大きさ数ミクロンの単結晶シリコンピラー(※2)の形成に世界で初めて成功しました。本手法はピラーの形状や大きさ、傾斜角度および分布密度などを制御することでシリコンの体積膨脹(※3)を完全に緩和できるため、高容量、長寿命かつ低コストのリチウムイオン電池負極(※4)を作るための新しい製造プロセスの可能性を示すものとして期待されます。

 本研究成果の一部は、2017年7月8日に、国際生産工学アカデミー(CIRP)の機関誌『CIRP Annals- Manufacturing Technology』のオンライン版で公開されました。

1.本研究のポイント

 ・ピラー構造によるシリコン体積膨脹の緩和、電極破壊の防止と電池の長寿命化

 ・高速レーザスキャンによる大面積ピラーシート電極の効率的製造

 ・国内太陽電池シリコンの廃棄原料をリチウム電池用へリサイクル

2.研究背景

 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伴ってリチウムイオン電池の高容量化が求められています。そのため、従来の炭素電極の代わりに、高容量化の見込めるシリコン電極に関する研究が進められています。しかし、シリコン電極はリチウムイオンを吸蔵すると3倍以上の体積膨張が発生するため、充放電を繰り返すと膨張収縮により電極の割れや集電体からの脱離が起こる問題があります。その結果、導電経路が崩壊し、電池寿命の低下につながっています。

 一方、半導体デバイスや太陽電池の生産において単結晶シリコンインゴット(※5)をワイヤソー(※6)でシリコンウエハ(※7)へ切断する段階で、粒径サブミクロン~数ミクロン程度のシリコン粉末が大量に発生します。現在そのシリコン粉末は、砥粒などの不純物を含むことから再びインゴット生産に再利用されることはなく、産業廃棄物として廃棄されています。すなわち、莫大なエネルギーを消費して製造された単結晶シリコンインゴットの約半分程度は粉末として廃棄されてしまうのが現状です。

 *リリース詳細は添付の関連資料を参照

 

 

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

リリース詳細

http://release.nikkei.co.jp/attach_file/0451844_01.pdf

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