High Capacity Cathode Materials for Potassium-Ion Battery
| Project/Area Number |
23K04922
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
マセセ タイタス 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (70758466)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 蓄電池 / カリウムイオン電池 / カリウム過剰系 / ハニカム層状型化合物 / ポリアニオン系化合物 / 多機能性セラミックス材料 / 固体イオニクス / 理論物理学 / 電気化学 |
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| Outline of Research at the Start |
資源面での優位性のみならず、Liイオン二次電池に比類する高電圧電池系が実現可能な利点から、次世代大型蓄電池の現実解としてカリウムイオン二次電池があり、その研究開発、特に正極材料においては近年、急激に加速している。しかし、カリウムイオンはリチウムイオンと比べて体積や原子量が大きいためエネルギー密度が低いことが問題視されている。そこで、さらなる正極材料の高エネルギー密度化の向上のために多カリウム含有（カリウム過剰系）新規正極材料の開発に取り組み、高容量・高エネルギー密度なカリウムイオン二次電池の創製に資する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
カリウムイオン二次電池用の高容量正極材料として、化学式単位で2個以上のK⁺を有する新規ポリアニオン系化合物およびカリウム過剰系酸化物の探索に取り組んだ。K2O-FeO-SiO2三元系相図を検討した結果、高い理論容量を持つクリストバライト型K2FeSiO4という新規ポリアニオン系正極材料を発見した。また、K2O-FeO-TiO2およびK2O-FeO-GeO2三元系相図の検討により、K2FeTiO4およびK2FeGeO4という新規正極化合物を発見した。
ポリアニオン系化合物の多くは、原子量が大きいため、プルシアン系類似物や有機系化合物と比較して重量当たりの理論容量が小さいが、上記の新規化合物はいずれも鉄レドックス対（Fe2+/Fe3+およびFe3+/Fe4+）を活用することで、200 mAhg-1以上の高い理論容量を示す。現在、電気化学測定評価を進めているところである。
さらに、高容量かつ高電位の新規正極材料として、カリウム過剰系K4/3Ni1/3Te1/3O2（K4NiTeO6）ハニカム層状型酸化物の単一相の合成法を確立した。X線回折および高分解能透過型電子顕微鏡法を用いて、ハニカム層状型K4/3Ni1/3Te1/3O2の積層構造を明らかにした。K4/3Ni1/3Te1/3O2は高い理論容量を持つだけでなく、構造上、電気陰性度の高いTe（[TeO6]6-八面体）を含むため、誘起効果により高い電位を示すことが期待される。高エネルギー密度正極材料としての作動を目指して、K4/3Ni1/3Te1/3O2の電気化学特性の検討も進めている。
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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
カリウム過剰系ハニカム層状型化合物およびポリアニオン系化合物について、これまで報告例のない単一相合成を達成したことで、電池特性および結晶構造に関する成果が当初の想定を超えるものであった。一方で、電池への応用を考えると、エネルギー密度や充放電寿命については、引き続き特性の向上を目指した検討が必要である。以上の状況から、おおむね順調な進捗状況と判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
蓄電池用活物質の材料研究は、材料合成の検討、電池特性の評価、さらに材料の物性評価など、幅広い検討が必要である。今後は、すでに確立した材料合成法を基にして、可逆容量を考慮した電池特性の評価を進め、電池への応用研究として価値の高い成果を目指す。同時に、材料化学や物性物理学からの学術的な材料評価を進めながら、電池特性と材料物性の関係にも焦点を当てて研究を推進していきたいと考えている。
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Report
(1 results)
Research Products
(12 results)
