溶媒和イオン液体のリチウム空気二次電池への適用及び電極反応機構の解明

• Project/Area Number: 14J00165
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Energy-related chemistry
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 多々良 涼一 横浜国立大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 濃厚電解液 / イオン液体 / グラファイト負極 / リチウム空気電池 / 溶媒和イオン液体 / リチウム塩濃厚電解液 / カーボンナノチューブ / 酸素還元反応 / 溶媒活量 / 中間体溶解度

Outline of Annual Research Achievements

昨年度までの米国マサチューセッツ工科大学における共同研究の結果に、日本で更なる電解液成分を分析する分光学的な実験データを加え、投稿論文にまとめて発表した。
また、昨年度まではトピックの一つとして有機電解液系の濃厚溶液中における脱溶媒和過程の特異性をグラファイト負極に焦点を当て検討を行ってきたが、本年度はさらに濃厚電解液の極端な例として非プロトン性イオン液体中にリチウム塩を濃厚に溶解させた系についても検討を行った。イオン液体中においては有機溶媒が存在しないため、アニオンによってのみリチウムカチオンが溶媒和される特異な条件となる。非プロトン性イオン液体中ではLi塩の溶解限界が一般の有機溶媒系ほど高くないため濃度増加にも有機溶媒系に比べ限度があるが、それでも濃厚領域においてFreeなアニオンの活量が減少し、電極反応電位が貴にシフトしていることが示された。ここで非プロトン性イオン液体中においてもGraphite負極の充放電挙動を確認したところ、TFSA系においては前年度までに検討した有機溶媒系と同様に濃度増大に伴い副反応が抑制されていく様が確認できた。
一方で近年着目されているFSA系イオン液体中においては低濃度であってもオニウムカチオン挿入は起こらず可逆な充放電挙動が得られた。ここでこの特異な挙動を調べるために本系においても過去の検討と同様にリチウム金属上における電極電位差を測定したところ、FSA系の方がTFSA系よりも同濃度でも高い電位を示すことが明らかとなった。しかしながらFSA系については特異な電極/電解液界面(SEI)を形成するという報告もあるため、今後より詳細な検討が必要となる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Journal Article] Suppression of Water Absorption by Molecular Design of Ionic Liquid Electrolyte for Li-Air Battery (2017)
  • Author(s): Morgan L. Thomas, Yoshiki Oda, Ryoichi Tatara, Hoi-min Kwon, Kazuhide Ueno, Kaoru Dokko, and Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: Advanced Energy Materials Volume: 7 Issue: 3 Pages: 1601753-1601753
  • DOI: 10.1002/aenm.201601753
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Stability of Glyme Solvate Ionic Liquid as an Electrolyte for Rechargeable Li-O2 Batteries (2017)
  • Author(s): Hoi-Min Kwon, Morgan L. Thomas, Ryoichi Tatara, Yoshiki Oda, Yuki Kobayashi, Azusa Nakanishi, Kazuhide Ueno, Kaoru Dokko, and Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 9 Issue: 7 Pages: 6014-6021
  • DOI: 10.1021/acsami.6b14449
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of Anion in Glyme-Based Electrolyte for Li-O2 Batteries: Stability/Solubility of Discharge Intermediate (2017)
  • Author(s): Hoi-Min Kwon, Morgan L. Thomas, Ryoichi Tatara, Azusa Nakanishi, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 46 Issue: 4 Pages: 573-576
  • DOI: 10.1246/cl.170046
  • NAID: 130005549071
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Oxygen Reduction Reaction in Highly Concentrated Electrolyte Solutions of Lithium Bis(trifluoromethanesulfonyl)amide/Dimethyl Sulfoxide (2017)
  • Author(s): Ryoichi Tatara, David G. Kwabi, Thomas P. Batcho, Michal Tulodziecki, Kenta. Watanabe, Hoi-Min Kwon, Morgan L. Thomas, K. Ueno, Carl V. Thompson, Kaoru Dokko, Yang Shao-Horn, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 121 Issue: 17 Pages: 9162-9172
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b01738
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] One-pot pyrolysis of lithium sulfate and graphene nanoplatelet aggregates: in situ formed Li2S/graphene composite for lithium-sulfur batteries (2015)
  • Author(s): Zhe Li, Shiguo Zhang,Ce Zhang, Kazuhide Ueno, Tomohiro Yasuda, Ryoichi Tatara, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 7 Issue: 34 Pages: 14385-14392
  • DOI: 10.1039/c5nr03201f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] One-step, template-free synthesis of highly porous nitrogen/sulfur-codoped carbons from a single protic salt and their application to CO2 capture (2015)
  • Author(s): Shiguo Zhang, Zhe Li, Kazuhide Ueno, Ryoichi Tatara, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 3 Issue: 34 Pages: 17849-17857
  • DOI: 10.1039/c5ta03575a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Li+ solvation and ionic transport in lithium solvate ionic liquids diluted by molecular solvents (2015)
  • Author(s): Kazuhide Ueno, Junichi Murai, Kohei Ikeda, Seiji Tsuzuki, Mizuho Tsuchiya, Ryoichi Tatara, Toshihiko Mandai, Yasuhiro Umebayashi, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: ASAP Issue: 29 Pages: 15792-15802
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b11642
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Activity in Electrolyte Solutions Controls Electrochemical Reactions in Li-Ion and Li-Sulfur Batteries (2015)
  • Author(s): Heejoon Moon, Toshihiko Mandai, Ryoichi Tatara, Kazuhide Ueno, Azusa Yamazaki, Kazuki Yoshida, Shiro Seki, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 119 Issue: 8 Pages: 3957-3970
  • DOI: 10.1021/jp5128578
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Li+ solvation in glyme-Li salt solvate ionic liquids (2015)
  • Author(s): Kazuhide Ueno, Ryoichi Tatara, Seiji Tsuzuki, Soshi Saito, Hiroyuki Doi, Kazuki Yoshida, Toshihiko Mandai, Masaru Matsugami, Yasuhiro Umebayashi, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 17 Issue: 12 Pages: 8248-8257
  • DOI: 10.1039/c4cp05943c
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mechanism of Li Ion Desolvation at the Interface of Graphite Electrode and Glyme-Li Salt Solvate Ionic Liquids (2014)
  • Author(s): Heejoon Moon, Ryoichi Tatara, Toshihiko Mandai, Kazuhide Ueno, Kazuki Yoshida, Naoki Tachikawa, Tomohiro Yasuda, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 118 Issue: 35 Pages: 20246-20256
  • DOI: 10.1021/jp506772f
  • Peer Reviewed
• [Presentation] リチウム塩濃厚電解液中における溶媒活量とグラファイト負極反応メカニズム (2016)
  • Author(s): 多々良涼一, 張旌君, 渡辺健太, 寺田尚志, 松前義治, 獨古薫, 渡邉正義
  • Organizer: 第57回電池討論会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ
  • Year and Date: 2016-11-29
• [Presentation] Study of the effect of electrolyte concentration on Li-air battery performance (2016)
  • Author(s): R. Tatara, D. G. Kwabi, M. Tulodziecki, T. P. Batcho, H.-M. Kwon, M. L. Thomas, C. V. Thompson, K. Dokko, Y. Shao-Horn, M. Watanabe
  • Organizer: Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-state Science 2016
  • Place of Presentation: Hawaii, USA
  • Year and Date: 2016-10-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solvent Activity in Highly Concentrated Electrolyte and Reversible Li Intercalation into Graphite Electrode (2016)
  • Author(s): R. Tatara, H. Moon, A. Hirai, K. Ueno, M. L. Thomas, K. Dokko, M. Watanabe
  • Organizer: 18th International Meeting on Lithium Batteries
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2016-06-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solvent Activity in Highly Concentrated Electrolyte and Reversible Li Intercalation into Graphite Electrode (2016)
  • Author(s): Ryoichi Tatara, Heejoon Moon, Ayaka Hirai, Kazuhide Ueno, Morgan L. Thomas, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Organizer: 18th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB2016)
  • Place of Presentation: Chicago, Illinois, USA
  • Year and Date: 2016-06-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Activity of Free Solvent in Solvate Ionic Liquids (2015)
  • Author(s): Ryoichi Tatara, Kazuhide Ueno, Toshihiko Mandai, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Organizer: 6th International Congress on Ionic Liquids (COIL-6)
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2015-06-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 溶媒和イオン液体中におけるリチウム溶媒和構造の安定性と溶媒活量 (2015)
  • Author(s): 多々良涼一，上野和英，万代俊彦，獨古薫，渡邉正義
  • Organizer: 電気化学会第82回大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学 常盤台キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-15 – 2015-03-17
• [Presentation] グラファイト負極/高濃度有機電解液界面における脱溶媒和メカニズム1:溶媒活量の影響 (2015)
  • Author(s): 多々良涼一，文喜俊，平井亜弥佳，吉田和生，上野和英，獨古薫，渡邉正義
  • Organizer: 電気化学会第82回大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学 常盤台キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-15
• [Presentation] 溶媒和イオン液体を用いたリチウム空気電池と酸素還元中間体の溶解特性 (2014)
  • Author(s): 多々良涼一，權會旻，上野和英，獨古薫，渡邉正義
  • Organizer: 第55回電池討論会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Year and Date: 2014-11-19 – 2014-11-21
• [Presentation] 溶媒和イオン液体中における溶媒和構造の安定性と溶媒活量 (2014)
  • Author(s): 多々良涼一、上野和英、万代俊彦、獨古薫、渡邉正義
  • Organizer: 第5回イオン液体討論会
  • Place of Presentation: 横浜シンポジア
  • Year and Date: 2014-10-28 – 2014-10-29
• [Presentation] Solvate Ionic Liquids as Electrolyte for Li-Oxygen Battery (2014)
  • Author(s): 多々良涼一, 權會旻, 上野和英, 立川直樹, 獨古薫, 渡邉正義
  • Organizer: 電気化学会関東支部第32回夏の学校
  • Place of Presentation: 八王子セミナーハウス
  • Year and Date: 2014-08-28 – 2014-08-29
• [Presentation] Solvate Ionic Liquids as Electrolyte for Li-Oxygen Battery (2014)
  • Author(s): Ryoichi Tatara, Hoi-min Kwon, Kazuhide Ueno, Naoki Tachikawa, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe
  • Organizer: 17th International Meeting of Lithium Batteries
  • Place of Presentation: Villa Erba, Como, Italy
  • Year and Date: 2014-06-10 – 2014-06-14
• [Presentation] 溶媒和イオン液体を用いたリチウム空気二次電池 (2014)
  • Author(s): 多々良涼一，權會旻，上野和英，獨古薫，渡邉正義
  • Organizer: 第3回JACI-GSCシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京国際フォーラム
  • Year and Date: 2014-05-22 – 2014-05-23
• [Book] 月刊『化学』7月号 最新のトピックス「イオン液体から溶媒和イオン液体、そして濃厚電解液の世界へ」 (2015)
  • Author(s): 多々良涼一, 渡邉正義
  • Total Pages: 2
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks] 横浜国立大学 渡邉・獨古・上野研究室Webサイト
  • URL: http://mwatalab.xsrv.jp/
• [Remarks] マサチューセッツ工科大学 Electrochemical Energy Lab Webサイト
  • URL: http://web.mit.edu/eel/
• [Remarks] 渡邉・獨古研究室
  • URL: http://mwatalab.xsrv.jp/