(3C02) 二次元材料Ti3C2 MXeneを導電助剤に用いたリチウムイオン電池の特性評価
2023年11月30日
日本材料技研株式会社 大井寛崇
東京都立大学 新堀雄麻、金村聖志

二次元材料MXeneの概要
多層MXeneのSEM像

結晶構造•
M: 遷移金属
X: 炭素 or 窒素
T: 表面官能基（F, O等）

2 μm

MXeneは一般式Mn+1XnTxで表される、二次元ナノシート形状の遷移金属炭化物あるいは窒化物の総称。(1)
Mは金属、Xは炭素または窒素、Tは酸素やフッ素等の表面官能基。

• シートがアコーディオン状に積層した多層MXene、薄いシートに剥離された剥離MXeneの形態がある• 元素の組み合わせで50種類以上のバリエーション。

• Ti3C2 MXene：高導電性（24,000 S/cm(2)）、高分散性• 応用例：蓄電池やキャパシタの電極材料。透明導電膜。
センサ。触媒。電磁波シールド等。

(1) Naguib M., et al., Adv. Mater., 2011, 23, 4248-4253.
(2) Ali. S. Zeraati., et al., Nanoscale, 2021, 13, 3572
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低次元導電助剤
一般的な導電助剤

低次元導電助剤について• グラフェンやCNTを導電助剤として用いる研究が盛んに行われている。
• 低次元導電材料（ファイバー状、シート状等）は、パー
コレーション閾値が低く、少量添加で導電性を発現することが知られている。

集電体

低次元導電材料• MXene／樹脂複合材料についても0.05 ~ 6.9 vol%と低いパーコレーション閾値が報告されている。(1)• MXeneを導電助剤として5wt%含むLIBの報告がある。(2)MXeneを導電助剤として活用するための課題• 多層MXeneの剥離と高濃度分散液の作製

集電体• 導電助剤用にMXene物性の最適化(1) F. Damiri, et al., Materials 2022, 15(5), 1666
(2) Ahn, Y, Kim, et al., J Am Ceram Soc. 2023, 106, 7303.

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本研究の目的
多層MXene
目的• 少量の添加量でLIB充放電を可能とする導電助剤としてのTi3C2 MXeneを開発する。

剥離MXene実験• 多層Ti3C2 MXeneをナノシート状に剥離し、水またはNMPに高濃度に分散した。
• Ti3C2 MXeneの水分散液、NMP分散液を用いてLIBを作製し、特性を評価した。

LIB適用集電体

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MXene分散液の物性（SEM）
多層Ti3C2 MXene
多層Ti3C2MXene

Ti3C2MXene
水分散液

Ti3C2MXene
NMP分散液Ti3C2MXene
NMP分散液 (粉砕)

濃度 / %-3.82.90.89

形状

アコー
ディオ
ン状

シート状

シート状

シート状

粒径 (d50)
/ μm

7.4

5.5

7.51.2

紫外可視
吸光スペ
クトル

平坦な吸光特性300nm,800nm付
近に吸収
ピーク

300nm,800nm付
近に弱いピーク

300nm,800nm付
近に吸収
ピーク

Ti3C2 MXene水分散液
2 μm

剥離
分散

5 μm

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MXene分散液の物性（粒度分布）16

多層
Ti3C2MXene

Ti3C2MXene
水分散液

Ti3C2MXene
NMP分散液Ti3C2MXene
NMP分散液 (粉砕)

濃度 / %-3.8

2.90.89

形状

アコー
ディオ
ン状

シート状

シート状

シート状

6

粒径 (d50)
/ μm

7.4

5.5

7.51.24

紫外可視
吸光スペクトル

平坦な吸光特性300nm,800nm付
近に吸収ピーク

300nm,800nm付
近に弱いピーク

300nm,800nm付
近に吸収
ピーク

多層MXene
14NMP分散液

12水分散液頻度 / %

10NMP分散液（粉砕）

8200.1110100粒子径 / μm
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6

MXene分散液の物性（消失スペクトル）

消失度 / a.u.

NMP
分散液

NMP分散液（粉砕）

多層MXene
水分散液

300

400

500

600

700

800

多層
Ti3C2MXene

Ti3C2
MXene
水分散液

Ti3C2MXene
NMP分散液Ti3C2
MXene
NMP分散液 (粉砕)

濃度 / %-3.8

2.90.89

形状

アコー
ディオ
ン状

シート状

シート状

シート状

粒径 (d50)/ μm

7.45.5

7.51.2紫外可視吸光スペ
クトル

平坦な
吸光特性

300nm,800nm付
近に吸収ピーク

300nm,800nm付
近に弱いピーク

300nm,800nm付
近に吸収
ピーク

900

波長 / nm
2023年11月30日

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MXene水分散液を用いたLMFP正極電池
正極組成（重量比） LMFP : SBR : CMC : MXene = 94 : 2 : 2 : 2
Ti3C2 MXene
水分散液

CMC, SBRを混合

LMFPを加え混錬4.5
4.3

LMFP cathode充放電条件➢ CC-CV充電 / CC放電
➢ カットオフ電位：4.3 V–2.5 V➢ 充放電レート：0.1C➢ 測定温度：30 ºC
2023年11月30日

4.1
3.9

Voltage / V

Graphite (2.2 mAh cm–2)2032型コインセル

セル組み立て初回充放電特性セル構成（リチウムイオン電池）

Celgard® 3401 +1M LiPF6 / EC:EMC (3:7 vol%)

塗工・乾燥

3.7
3.5
3.3
3.1
2.9

159 mAh/g

2.72.5020406080

100 120 140 160 180 200 220

Capacity / mA h g-1
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8MXene NMP分散液を用いたNCM622電池
正極組成（重量比） NCM622 : PVDF : MXene = 94.7 : 4 : 1.3
Ti3C2 MXene
NMP分散液PVDFを混合

NCM622を加え混錬

4.5
4.3

NCM622 cathode充放電条件➢ CC-CV充電 / CC放電
➢ カットオフ電位：4.3 V–2.5 V➢ 充放電レート：0.1C➢ 測定温度：30 ºC
2023年11月30日

4.1
3.9

Voltage / VGraphite (2.2 mAh cm–2)2032型コインセル

セル組み立て初回充放電特性セル構成（リチウムイオン電池）

Celgard® 3401 +1M LiPF6 / EC:EMC (3:7 vol%)

塗工・乾燥

3.7
3.53.33.12.9166 mAh/g

2.72.5020406080100120140160180200220

Capacity / mA h g-1
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9MXene粒径と電池特性
正極組成①MXene NMP分散液（d50: 7.5 μm）

NCM622 : PVDF : MXene = 94.7 : 4 : 1.3

正極組成②MXene NMP分散液（d50: 1.2 μm）

NCM622 : PVDF : MXene = 97 : 1 : 2
初回充放電特性セル構成（リチウム電池）
4.5

NCM622 cathode4.3

Celgard® 3401 +1M LiPF6 / EC:EMC (3:7 vol%)4.1充放電条件➢ CC-CV充電 / CC放電
➢ カットオフ電位：4.3 V–2.5 V➢ 充放電レート：0.1C➢ 測定温度：30 ºC

Voltage / V

Li metal (100 μm)
2032型コインセル

3.9

NMP分散液d50: 7.5 μm

3.7
3.5
3.3
3.1

NMP分散液（粉砕）d50: 1.2 μm

2.92.72.5020406080

100120140160

180200220

Capacity / mAh g-1
2023年11月30日

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10まとめ• 高濃度のTi3C2 MXene分散液（水、NMP）を作製した• MXene分散液と活物質、バインダーを混錬することで正極スラリーを作製し、これを塗工した正極を用いたリチウム電池及びリチウムイオン電池を作製した• Ti3C2 MXeneの正極への添加量は2wt%以下でリチウムイオン電池（LMFP系, NCM系）の充放電が可能であった• 大粒径のMXeneの方が電池特性は良好であった

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