Elucidation of charge-discharge process of active material/nanoporous carbon composites and its apprication to all-solid-state battery

• Project/Area Number: 18H02060
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: Nagasaki University
• Principal Investigator: MORIGUCHI Isamu 長崎大学, 工学研究科, 教授 (40210158)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 瓜田 幸幾 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (40567666)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2019: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2018: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
• Keywords: Liイオン電池 / Naイオン電池 / 全固体電池 / ナノ多孔カーボン / ナノ複合体 / リン / 多孔カーボン / カーボンナノチューブ / リチウムイオン電池 / ナノ複合材料 / 酸化スズ / 拘束圧 / 合金・脱合金反応 / スズ / コンバージョン反応 / 硫化スズ

Outline of Final Research Achievements

SnS2- or P-embedded porous carbons showed high capacities and stable cycle performance in charge-discharge measurements using organic electrolytes of Li and Na salts. It was surprisingly found that introduction of Red phosphorous in carbon nanotube resulted in a formation of black phosphorous phase, which produces at high pressure condition. Metal sulfide-carbon composites with hierarchical nanostructure also showed excellent charge-discharge properties.
It was also demonstrated that SnO2-embedded nanoporous carbons without solid electrolyte inside the nanopores are a promising candidate for high capacity and stable electrode material of all-solid-state battery. Structure-optimized composite electrodes showed high capacity and good cycle stability superior to those in organic liquid electrolyte system. We also succeeded in reduction of external pressure of all-solid-state cell.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

蓄電池の市場拡大に伴い，高エネルギー密度化や高出力化，長寿命化の性能向上，さらには安全性の向上や低コスト化が要求されている。既往のLiイオンのインターカレーションや挿入・脱離反応系を凌駕する高容量を安定に発現できる新しい反応系の開発が必要であり，また，有機電解液を不燃性の無機固体電解質に置き換えた全固体電池系での高容量かつサイクル安定性に優れる電極材料開発が望まれている。本研究の成果は，安定な高容量反応を実現する新材料を開発し，またLiイオン電池にとどまらずNaイオン電池電極材料としての機能発現も手掛け，また安定な全固体電池電極開発の新しいアプローチを提案しており，その意義は極めて大きい。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 福州大学(中国)
• [Journal Article] Direct Evidence of Black Phosphorus Formation in Carbon Nanospaces by Quasi-high Pressure Effect (2022)
  • Author(s): Komine Yuki、Urita Koki、Notohara Hiroo、Moriguchi Isamu
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 51 Issue: 2 Pages: 118-120
  • DOI: 10.1246/cl.210644
  • NAID: 130008161640
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regulating the effects of SnS shrinkage in all-solid-state lithium-ion batteries with excellent electrochemical performance (2022)
  • Author(s): Wang Jianbiao、Huang Jiajia、Huang Shuping、Komine Yuki、Notohara Hiroo、Urita Koki、Moriguchi Isamu、Wei Mingdeng
  • Journal Title: Chemical Engineering Journal Volume: 429 Pages: 132424-132424
  • DOI: 10.1016/j.cej.2021.132424
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective Carbon Pores to Improve the Electrochemical Performance of Phosphorus as an Anode for Sodium Ion Batteries (2021)
  • Author(s): Komine Yuki、Urita Koki、Notohara Hiroo、Moriguchi Isamu
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 4 Issue: 12 Pages: 13841-13846
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c02605
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reduction of external pressure on all‐solid‐state battery using SnO 2 ‐embedded porous carbon by CNT assistance (2021)
  • Author(s): Notohara Hiroo、Urita Koki、Moriguchi Isamu
  • Journal Title: Nano Select Volume: - Issue: 11 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1002/nano.202100042
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SnO2-Embedded Nanoporous Carbon Electrode with a Reaction-Buffer Space for Stable All-Solid-State Li Ion Batteries (2020)
  • Author(s): Notohara Hiroo、Urita Koki、Moriguchi Isamu
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 12 Issue: 38 Pages: 43042-43048
  • DOI: 10.1021/acsami.0c09792
  • NAID: 120006988503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cu2S hollow spheres as an anode for high-rate sodium storage performance (2020)
  • Author(s): Wang Jianbiao、Okabe Jugo、Urita Koki、Moriguchi Isamu、Wei Mingdeng
  • Journal Title: Journal of Electroanalytical Chemistry Volume: 874 Pages: 114523-114523
  • DOI: 10.1016/j.jelechem.2020.114523
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rational Design of Hierarchical SnS2 Microspheres with S Vacancy for Enhanced Sodium Storage Performance (2020)
  • Author(s): Wang Jianbiao、Huang Jiajia、Huang Shuping、Notohara Hiroo、Urita Koki、Moriguchi Isamu、Wei Mingdeng
  • Journal Title: ACS Sustainable Chemistry & Engineering Volume: 8 Issue: 25 Pages: 9519-9525
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c02535
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ナノ多孔性蓄電電極材料の開発 (2019)
  • Author(s): 森口 勇，瓜田千春，能登原展穂，瓜田幸幾
  • Journal Title: ケミカルエンジニアリング Volume: 64 Pages: 30-34
• [Journal Article] High capacity and stable all-solid-state Li ion battery using SnO2-embedded nanoporous carbon (2018)
  • Author(s): Notohara Hiroo、Urita Koki、Yamamura Hideyuki、Moriguchi Isamu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-018-27040-w
  • NAID: 120006988037
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Li/表面修飾多孔カーボンの全固体電池電極特性 (2021)
  • Author(s): 西中彰基, 能登原 展穂, 瓜田幸幾, 森口 勇
  • Organizer: 第48回炭素材料学会年会
• [Presentation] SnO2/カーボン複合材料におけるLiイオン伝搬挙動の追跡 (2021)
  • Author(s): 能登原 展穂，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第62回電池討論会
• [Presentation] Li/表面修飾多孔カーボンの全固体電池電極特性 (2021)
  • Author(s): 西中彰基, 能登原 展穂, 瓜田幸幾, 森口 勇
  • Organizer: 第58回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] 全固体電池Al負極へのDLC被覆効果 (2021)
  • Author(s): 岩永 樹，能登原 展穂，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第58回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] 全固体電池系におけるSnO2・CNT複合材料のLiイオン伝導挙動 (2020)
  • Author(s): 能登原展穂, 瓜田幸幾，森口勇
  • Organizer: 第47回炭素材料学会年会
• [Presentation] カーボンナノチューブの1次元ナノ空間におけるリンの構造及び充放電特性 (2020)
  • Author(s): 小峯祐輝，瓜田幸幾，森口勇
  • Organizer: 第47回炭素材料学会年会
• [Presentation] Liドープナノ多孔カーボンの全固体電池負極特性 (2020)
  • Author(s): 西中彰基，瓜田幸幾，森口勇
  • Organizer: 第47回炭素材料学会年会
• [Presentation] 電解液の脱溶媒和状態を考慮した多孔性カーボン電極の設計 (2020)
  • Author(s): 瓜田幸幾
  • Organizer: 第88回電気化学会
  • Invited
• [Presentation] Development of High-Performance Energy Storage Electrode (2019)
  • Author(s): I. Moriguchi
  • Organizer: The 1st Joint Symposium between Fuzhou University and Nagasaki University on Energy and Materials Chemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Energy Storage Electrodes Taking Advantage of Carbon Nanospace (2019)
  • Author(s): I. Moriguchi
  • Organizer: International Symposium on Adsorption 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] カーボンナノホーンの内部空間を利用したSnO2充放電特性 (2019)
  • Author(s): 亀田健太，瓜田幸幾， 森口 勇
  • Organizer: 第46回炭素材料学会年会
• [Presentation] SnO2/多孔カーボン系全固体電池電極におけるナノ空間の影響 (2019)
  • Author(s): 能登原 展穂，瓜田 幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第60回電池討論会
• [Presentation] リンとNaイオンの合金・脱合金化反応へのカーボン細孔空間の影響 (2019)
  • Author(s): 小峯 祐輝，瓜田 幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第60回電池討論会
• [Presentation] Si/カーボンナノ複合体の合成と充放電特性 (2019)
  • Author(s): 隈 成輝，瓜田幸幾， 森口 勇
  • Organizer: 第56回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] カーボン細孔を利用したリンの充放電特性の向上 (2019)
  • Author(s): 小峯祐輝，瓜田幸幾， 森口 勇
  • Organizer: 第56回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] Enhancement of electrochemical reactions of phosphorous with sodium ions by carbon nanopores (2019)
  • Author(s): Y. Komine, K. Urita I. Moriguchi
  • Organizer: 13th Fundamentals of Adsorption
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蓄電機能向上に向けたカーボンナノ空間の設計 (2019)
  • Author(s): 森口 勇
  • Organizer: 活性炭技術研究会第166回講演会
  • Invited
• [Presentation] カーボンナノ空間を活用した蓄電デバイス電極開発 (2018)
  • Author(s): 森口 勇
  • Organizer: 電気化学会九州支部平成30年度秋季講演会
  • Invited
• [Presentation] ナノ多孔材料の創製～合成と構造評価，電気化学機能～ (2018)
  • Author(s): 森口 勇
  • Organizer: 触媒学会西日本支部 第12回触媒道場
  • Invited
• [Presentation] Liドープ合金系/多孔カーボン複合体電極の電気化学特性 (2018)
  • Author(s): 三牧勧大，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第45回炭素材料学会年会
• [Presentation] Si・カーボン複合電極の構造と充放電特性の関係 (2018)
  • Author(s): 徳永倫果，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第45回炭素材料学会年会
• [Presentation] SnO2/CNH複合体の充放電特性 (2018)
  • Author(s): 亀田健太，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第45回炭素材料学会年会
• [Presentation] カーボンナノ空間におけるリンとナトリウムイオンの電気化学反応 (2018)
  • Author(s): 小峯祐輝，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第45回炭素材料学会年会
• [Presentation] SnS2・カーボン複合体の充放電特性に与えるナノ空間の影響 (2018)
  • Author(s): 田川光帆, 瓜田幸幾, 森口 勇
  • Organizer: 第32回日本吸着学会研究発表会
• [Presentation] SnO2/多孔カーボン複合系全固体電池負極特性へのナノ空間構造の影響 (2018)
  • Author(s): 能登原展穂，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第59回電池討論会
• [Presentation] Design of SnO2-embedded Carbon Nanospace for Effective Li-ion Reactions in All-solid state Battery Electrode (2018)
  • Author(s): H. Notohara, K. Urita, I. Moriguchi
  • Organizer: 8th Pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technology (PBAST-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of Carbon Pores on Electrochemical Performance on Phospherous/Porous Carbon Composite Electrodes (2018)
  • Author(s): Y. Komine, K. Urita, I. Moriguchi
  • Organizer: 8th Pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technology (PBAST-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge-discharge properties of SnO2-embedded nanoporous carbons in all-solid-state lithium ion battery system (2018)
  • Author(s): H. Notohara, K. Urita, I. Moriguchi
  • Organizer: CARBON2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] リンの充放電反応へのカーボンナノ空間の影響 (2018)
  • Author(s): 小峯祐輝，瓜田幸幾，森口 勇
  • Organizer: 第55回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] SnO2-Embedded Nanoporous Carbon as an All-Solid-State LIB Electrode (2018)
  • Author(s): H. Notohara, K. Urita, I. Moriguchi
  • Organizer: The 19th International Meeting on Lithium Batteries (IMBL2018)
  • Int'l Joint Research
• [Book] Tin oxide materials; synthesis, properties, and applications (2019)
  • Author(s): M. O. Orlandi, G. Watson, A. L. Gavin, A. K. Lucid, J. Savioli, P. H. Suman, V. Sharma, C. M. Aldao, J. M. Granjeiro, R. Cruz, P. E. Leite, L. D. Cunha, H. Notohara, K. Urita, I. Moriguchi
  • Total Pages: 666
  • Publisher: Elsevier
  • ISBN: 9780128159248
• [Book] リチウムイオン二次電池用炭素系負極材の開発動向 (2019)
  • Author(s): 川崎晋司，福塚友和，安部武志，岡 秀亮，後藤和馬，森脇博文，馬場良貴，武内正隆，福井俊巳，藤本康治，田中俊輔，西山憲和，能登原展穂，瓜田幸幾，森口 勇，太田道也，清水雅裕，新井 進，石井陽祐，是津信行
  • Total Pages: 237
  • Publisher: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781314358
• [Remarks] 応用物理化学研究室HP
  • URL: http://www.cms.nagasaki-u.ac.jp/lab/bukka/Bukka/groupA.html
• [Remarks] 長崎大学 学術研究成果リポジトリ
  • URL: http://naosite.lb.nagasaki-u.ac.jp/dspace/