Lithium ion intercalation into graphite in aqueous media

Research Project

Project/Area Number	22K19087
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	Yamada Yuki 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30598488)
Project Period (FY)	2022-06-30 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Keywords	リチウムイオン電池 / 安全性 / 水系電解液 / 水和融体 / 黒鉛 / 界面 / 黒鉛電極 / インターカレーション / 疎水化
Outline of Research at the Start	現在のリチウムイオン電池では、電解液として可燃性の有機溶媒系を用いており、火災事故の原因となっている。このような状況を鑑み、本研究では、リチウムイオン電池の電解液を有機溶媒系から水系に置き換えることを目的とする。この目的達成のため、負極反応となる黒鉛電極へのリチウムイオン挿入反応を可能にする水系電解液及び電極/電解液界面の設計を行う。本研究が成功すると、火災リスクを最小化した水系リチウムイオン電池の実現が可能となり、火災事故が許されない新規用途への応用が大きく拡大する。
Outline of Final Research Achievements	This work aimed to replace the electrolyte used in lithium-ion batteries from a flammable organic solvent to a non-flammable and safe water. To achieve this goal, ,it is necessary to suppress the reductive decomposition of water (hydrogen evolution reaction) on the surface of graphite negative electrodes. We demonstrated that the surface coating of graphite negative electrodes with a hydrophobic organic solution and polymer film, in combination with a hydrate melt electrolyte with a peculiar coordination state of water molecules, is effective in suppressing the reductive decomposition of water.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	水系電解液は、二次電池だけでなく、キャパシタや各種電解反応でも広く用いられており、本研究で見いだされた水分解抑制手法は、さまざまな電気化学反応の可能性を広げる重要な意義がある。また、高性能の水系リチウムイオン電池が実現すれば、電池に起因する発火事故のリスクを大幅に下げることができ、リチウムイオン電池の更なる用途拡大につながる。