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界面制御に基づくナノコアシェル型正極の創成と室温動作型新規マグネシウム蓄電池開発

Research Project

Project/Area Number 23KJ0214
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund
Section国内
Review Section Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

飯村 玲於奈  東北大学, 環境科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2023-04-25 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsマグネシウム電池 / 正極材料 / ナノ粒子 / 界面制御
Outline of Research at the Start

本研究では安価で高い安全性、高エネルギー密度を有し、ポストLiイオン電池と期待されるマグネシウム蓄電池の正極材料開発を研究対象としている。現在までに室温で繰り返し使える正極材料は報告されておらず、これは正極材料が電解液の分解を引き起こす触媒として働くことによる。そこで本研究では、種々の酸化物を正極材料にナノオーダーでコートし、電解液の分解抑制を行い、室温で高電位・高放電容量・高サイクル性をクリアする高性能正極材料を開発する。また、実験と計算を組み合わせ、電解液分解の抑制メカニズム解明を目指す。さらに、炭素材料との複合化や粒子形態制御を施すことで短時間で充放電が可能な高出力材料開発に挑む。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、室温動作型マグネシウム蓄電池正極の高性能化に向けて高電位作動・高放電容量・高サイクル性をクリアする材料開発を目指している。高出力化に向けた研究では、アルコールを用いた新規溶液プロセスにより10nm以下の一次粒子を持ったα-MnO2の開発に成功し、従来の材料と比べて、室温で高電位かつ高容量を示すことがわかった。これは、極小ナノ粒子化により、固体内を移動するMgイオンの距離が大幅に減少したため、室温でも十分に動作するようになったためである。しかしながら、正極/電解液界面で電解液の酸化・還元分解などの副反応が起こることや、Mgイオンがトンネル構造内にトラップされることで充電過程でのMgイオン脱離反応が進行しにくいという影響があり、サイクル特性は約10サイクルにとどまることが明らかになった。
今年度後期には、α-MnO2の結晶学的可逆性における課題を踏まえて、より堅固な構造を持つ正六角形のトンネル構造を有するh-MoO3という材料に着目した。そして、ボールミルを用いたトップダウン方式のナノ粒子化操作を経て、正極動作試験を行ったところ高いサイクル特性を示すことが明らかとなった。さらに、充放電前後の正極結晶構造解析より、Mgイオンの脱挿入反応に伴い、正極の結晶構造が可逆的に変化していることがわかった。
以上の研究によりでは高出力化と高サイクル特性を持つ材料を独立して開発することに成功し、本研究の目指す高性能正極材料の開発に向けて大きく前進したと言える。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り、室温で高出力化と高サイクル特性を示す材料群の探索に成功しており、酸化物を用いた高性能Mg電池正極材料開発に向けた要素技術を蓄えることができているため。

Strategy for Future Research Activity

引き続き高出力化と高サイクル特性を示す材料群の探索を進めつつ、溶液プロセスを用いてそれらの材料を使った正極界面制御を行うことで高性能正極材料の開発を目指す。さらに、放射光実験や第一原理計算を用いた構造解析により正極材料の動作原理を明らかにする。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute of Technology/Helmholtz Institute Ulm(ドイツ)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Journal Article] Spray-Dried MgMn2O4 Spinel Oxide Cathode with Single Mg Ion-Conductive Polymers for Rechargeable Mg Metal Battery2023

    • Author(s)
      Nishimura Naomi、Masaki Kazumasa、Tan Wei、Iimura Reona、Kobayashi Hiroaki、Nishikawa Kei、Mandai Toshihiko、Somekawa Hidetoshi、Tominaga Yoichi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 127 Issue: 25 Pages: 11829-11835

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c01918

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Electrically Conductive Ultrasmall CuMn2O4 Cathodes: A Novel Approach to Room-Temperature Magnesium Rechargeable Batteries2024

    • Author(s)
      Reona Iimura, Hiroaki Kobayashi, Hiroto Watanabe, Toshihiko Mandai, Hiroaki Imai, and Itaru Honma
    • Organizer
      48th International conference and exposition on advanced ceramics and composites
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 極小ナノMnO2正極による次世代多価イオン電池への展望2023

    • Author(s)
      飯村玲於奈, 川﨑栞, 立花慎之介, 万代俊彦,本間格, 市坪哲, 小林弘明
    • Organizer
      電気化学会 90周年記念講演
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 室温動作型マグネシウム蓄電池実現に向けた極小ナノマンガン酸化物正極材料の開発2023

    • Author(s)
      飯村玲於奈, 川﨑栞, 万代俊彦, 市坪哲, 小林弘明,本間格
    • Organizer
      軽金属学会 第145回秋期大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report

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Published: 2023-04-26   Modified: 2024-12-25  

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