Study of fast charging/discharging mechanism at room temperature in multivalent ion batteries using carbon nanocomposite
| Project/Area Number |
21K14711
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
沖田 尚久 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70846625)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | 多価イオン電池 / 正極材料 / カーボン複合体 / 欠陥・空孔形成 |
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| Outline of Research at the Start |
Mg、Caをキャリアイオンとする多価イオン電池は、ポストリチウムイオン電池として期待される一方で、室温で高速に充放電させることができない点が課題であった。本研究では、多価イオン電池において室温動作化・高速充放電化に成功したカーボン内包型複合体をモデルに、その要因を明らかにすることで、リチウムイオン二次電池用電極材料を多価イオン電池用電極材料に転換するための材料設計指針を得る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
ポストリチウムイオン電池として期待される多価イオン電池において、室温での動作および高速充放電化を達成したカーボン複合体をモデル材料に、その要因を明らかにすることで、リチウムイオン電池用電極材料を多価イオン電池用電極材料に転換するための材料設計指針を得ることを目的としている。
現時点で、マグネシウムイオン電池において室温動作・高速充放電が可能な正極材料として、リン酸鉄リチウム内包型カーボン複合体と、高電圧化・高エネルギー密度化が可能なリン酸バナジウムリチウム/カーボン複合体の創製に成功している。今年度は、複合化させるカーボン種や複合割合を変更した複合体材料、異種元素を固溶した複合体を作り分けることに成功した。それらの複合体をモデル材料に、In-situ X線回折(XRD)・X線吸収超微細構造解析(XAFS)などによる結晶構造の解析と電子顕微鏡観察による複合体構造の解析を行った。その解析から、リン酸バナジウムリチウム結晶がカーボンと直接接合することによって、結晶の格子定数・格子体積が伸長し、結晶の歪み・欠陥が生じていることが明らかとなった。より詳細に解析すると、結晶中のV-O八面体構造が変化しており、マグネシウムイオンの拡散経路が拡張され、マグネシウムイオンの拡散に有利な結晶構造に変化していることが示唆された。そのため、室温においてもマグネシウムイオンの脱挿入がスムーズとなり、発現容量が向上したこと、高速充放電が可能になったことが見出された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マグネシウムイオン電池において室温動作・高速充放電が可能な正極材料として、リン酸鉄リチウム内包型カーボン複合体とリン酸バナジウムリチウム/カーボン複合体の創製に成功している。さらに、複合化させるカーボン種や複合割合を変更した複合体材料を作り分け、それらをモデル材料に室温動作・高速充放電化した要因を検討した。結晶構造と複合体構造の解析により、結晶がカーボンと直接接合することによって、拡散に有利な結晶構造に変化していることを見出した。ここから、電気化学インピーダンス測定などの電気化学試験にも着手し、充放電中の結晶構造変化とマグネシウムイオンの拡散性の関連性について定量的な評価を行っている。本研究は当初計画の通り、おおむね順調に進展しているものと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
充放電中の結晶構造変化とマグネシウムイオンの拡散性の関連性について定量的な評価を行うために、マグネシウムイオンの拡散に有利な結晶構造を有するカーボン複合体をモデル材料に、これまで実施してきた結晶構造・複合体構造の解析と電気化学インピーダンス測定などの電気化学試験を組み合わせた解析を行っていく。さらに、マグネシウムイオン電池のみならず、カルシウムイオン電池にも本モデル材料およびこれまでの解析手法を適用し、カルシウムイオンでも室温動作・高速充放電が可能な正極材料を創製する。これにより、リチウムイオン電池用電極材料を多価イオン電池用電極材料に転換するための材料設計指針を得る。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
