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高濃度電解液中のリチウムイオンホッピング伝導機構の解明と次世代蓄電池への展開

Research Project

Project/Area Number 20J20165
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

宇賀田 洋介  横浜国立大学, 理工学府, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywords電解液 / リチウムイオン電池 / イオン伝導 / 電気化学 / リチウム系二次電池 / 有機電解液
Outline of Research at the Start

Li塩を有機溶媒中に超高濃度に溶解させた電解液が、従来の電解液よりも高速な電池の充放電を可能にすることが報告され注目を集めている。この優れた電池性能を理解する上で高濃度電解液中でのイオン伝導機構の解明が肝要である。当研究室ではこれまでに、ある種のLi塩と溶媒から成る高濃度電解液中において、Liイオンが溶媒とアニオンを配位子交換しながらホッピング伝導していることを実験的に証明してきた。本研究では、従来の古典溶液論では説明できない高濃度電解液中でのLiイオンのホッピング伝導を体系化し新たな学理を構築することを目的とした。さらに、これらの新規電解液を次世代蓄電池などへ適用する応用研究も展開していく。

Outline of Annual Research Achievements

これまでの検討から、スルホンを溶媒としたLi塩高濃度中において、Liイオンが最も速く拡散するLiイオンホッピング伝導機構が発現することを明らかにし、種々のスルホン系溶媒の中でもスルホラン(SL)を溶媒に用いることで高いLiイオン輸送性能を達成できることを見出してきた。また、Li塩に関してはLiN(SO2F)2 (LiFSA)を使用することで、高塩濃度でも電解液の粘度が比較的低くなり、高いイオン伝導度を示すことがわかっている。一方、LiFSAとSLからなる高濃度電解液は、溶媒和物の融点が比較的高いため、低温では溶媒和物の結晶化が起こり、電解液として機能しないという課題がある。本年度は、深共晶溶媒で見られるような多成分化による融点降下に着目し、LiFSA、SL、ジメチルスルホン(DMS)の三成分を混合させることで液体温度範囲の広い高濃度電解液を開発し、それらの熱物性、溶液構造、輸送特性および電気化学特性について調査した。LiFSA-SL-DMS三元系電解液は、混合エントロピーの増加により広い温度範囲にわたって液体状態を維持し、150 °Cまでは溶媒の蒸発が起こらず高い熱安定性を有することがわかった。また、[LiFSA]/[SL]/[DMS] = 1/1.5/1.5の組成の三元系電解液では、Liイオンが溶媒やアニオンよりも速く拡散するホッピング伝導機構が発現し、比較的高いLiイオン輸率を示すことが明らかになった。この三元系電解液は4 Vを超える広い電位窓を有し、リチウムイオン電池の正極材料であるLiCoO2を用いたリチウム二次電池に適用した際には従来の混合カーボネート系電解液に匹敵する出力性能を示すこともわかった。さらに、-20 °Cの低温環境下でもリチウム二次電池の電解液として適用できることも確認された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Anionic Effects on Li-Ion Activity and Li-Ion Intercalation Reaction Kinetics in Highly Concentrated Li Salt/Propylene Carbonate Solutions2023

    • Author(s)
      Ugata Yosuke、Tatara Ryoichi、Ock Ji-young、Zhang Jingjun、Ueno Kazuhide、Watanabe Masayoshi、Dokko Kaoru
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 127 Issue: 8 Pages: 3977-3987

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c08653

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Eutectic Electrolytes Composed of LiN(SO2F)2 and Sulfones for Li-Ion Batteries2022

    • Author(s)
      Ugata Yosuke、Chen Yichuan、Sasagawa Shohei、Ueno Kazuhide、Watanabe Masayoshi、Mita Hiroki、Shimura Jusuke、Nagamine Masayuki、Dokko Kaoru
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Issue: 24 Pages: 10024-10034

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c02922

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temperature Dependency of Ion Transport in Highly Concentrated Li Salt/Sulfolane Electrolyte Solutions2022

    • Author(s)
      Ugata Yosuke、Hasegawa Gen、Kuwata Naoaki、Ueno Kazuhide、Watanabe Masayoshi、Dokko Kaoru
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Issue: 45 Pages: 19084-19090

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c06699

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structural Effects of Solvents on Li-Ion-Hopping Conduction in Highly Concentrated LiBF4/Sulfone Solutions2021

    • Author(s)
      Ugata Yosuke, Sasagawa Shohei, Tatara Ryoichi, Ueno Kazuhide, Watanabe Masayoshi, Dokko Kaoru
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 125 Issue: 24 Pages: 6600-6608

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c01361

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Solvate electrolytes for Li and Na batteries: structures, transport properties, and electrochemistry2021

    • Author(s)
      Yosuke Ugata, Keisuke Shigenobu, Ryoichi Tatara, Kazuhide Ueno, Masayoshi Watanabe, Kaoru Dokko
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 23 Issue: 38 Pages: 21419-21436

    • DOI

      10.1039/d1cp02946k

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Understanding the Reductive Decomposition of Highly Concentrated Li Salt/Sulfolane Electrolytes during Li Deposition and Dissolution2021

    • Author(s)
      Y. Ugata, R. Tatara, T. Mandai, K. Ueno, M. Watanabe, K. Dokko
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: 4 Issue: 2 Pages: 1851-1859

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c02961

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Solvation Structure and Ion Transport in Highly Concentrated Li salt/Sulfone Electrolyte Solutions2023

    • Author(s)
      Yosuke Ugata , Kazuhide Ueno , Masayoshi Watanabe , Kaoru Dokko
    • Organizer
      47th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高濃度Li塩/スルホラン電解液中における電解質の解離状態とイオン輸送機構2022

    • Author(s)
      宇賀田 洋介、桑田 直明、上野 和英、渡邉 正義、獨古 薫
    • Organizer
      第63回電池討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] スルホン系混合溶媒を用いたLi塩高濃度電解液の特性2022

    • Author(s)
      宇賀田 洋介, 陳 奕銓, 上野 和英, 渡邉 正義, 三田 洋樹, 志村 重輔, 永峰 政幸, 獨古 薫
    • Organizer
      第63回電池討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Fundamental Properties and Battery Application of Highly Concentrated Li salt/Mixed Sulfone Solvent Electrolytes2022

    • Author(s)
      Yosuke Ugata, Yichuan Chen, Kazuhide Ueno, Masayoshi Watanabe, Hiroki Mita, Jusuke Shimura, Masayuki Nagamine, Kaoru Dokko
    • Organizer
      ACEPS11
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高濃度Li塩/プロピレンカーボネート電解液中のLi+の配位構造がLiCoO2薄膜電極の電荷移動反応速度に及ぼす影響2022

    • Author(s)
      宇賀田 洋介、上野 和英、渡邉 正義、獨古 薫
    • Organizer
      電気化学会第89回大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 高濃度Li塩/スルホラン電解液のイオンダイナミクスの解析2021

    • Author(s)
      宇賀田 洋介、桑田 直明、上野 和英、渡邉 正義、獨古 薫
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] LiCoO2薄膜電極/高濃度Li塩電解液の界面における電荷移動反応速度の解析2021

    • Author(s)
      宇賀田 洋介、上野 和英、渡邉 正義、獨古 薫
    • Organizer
      第47回固体イオニクス討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] リチウム金属表面におけるスルホラン系高濃度電解液の還元分解機構2021

    • Author(s)
      宇賀田 洋介、多々良 涼一、上野 和英、渡邉 正義、獨古 薫
    • Organizer
      電気化学会第88回大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] High Transference Number of Li Ion in Highly Concentrated LiTFSA/Dinitrile Liquid Electrolytes2020

    • Author(s)
      Yosuke Ugata, Kazuhide Ueno, Masayoshi Watanabe, Kaoru Dokko
    • Organizer
      PRiME2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of Anion Species on Li Ion Transport and Electrochemical Properties in Highly Concentrated Electrolytes2020

    • Author(s)
      Yosuke Ugata, Shohei Sasagawa, Daiki Watanabe, Kazuhide Ueno, Masayoshi Watanabe, Kaoru Dokko
    • Organizer
      PRiME2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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