2019 Fiscal Year Research-status Report
高容量／高速充放電ナトリウムイオン電池を実現する負極炭素構造の解明
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17K06017
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
後藤 和馬 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (20385975)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 炭素材料 / 固体核磁気共鳴 / ナトリウムイオン電池 / 黒鉛層間化合物 / 負極 / ハードカーボン / グライム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度は、前年度より引き続き無定形炭素のNa吸蔵サイトに関する構造解析、およびその場観測（オペランド）Na NMR分析法の開発を進めた。
特に過充電の際にどのような状態を経て金属（ナトリウム）が炭素電極上に析出するかについて精密に観測することを目的とし、オペランドでのNMR分析を行った。実験においては、リチウムとナトリウムの吸蔵の違いを比較するために、7Li NMRによるリチウム吸蔵炭素（黒鉛およびハードカーボン）の観察と23Na NMRによるナトリウム吸蔵炭素（ハードカーボン）の観察を同時に進めた。
黒鉛へのリチウムの過挿入においては、電位が0 V未満に低下し極小値（-0.03～-0.05 V)が現れた直後にデンドライト状リチウムの析出がはじまるが、ハードカーボンへのリチウム導入においては、電位の極小出現後もすぐには金属が析出せず、細孔内の擬金属リチウム生成が完了してから電極表面でのデンドライト析出が始まることがわかった。ナトリウムにおいても同様に、3C以下の条件では0 V未満の電位で過挿入を行っても、Naデンドライト析出より先に擬金属Naの生成が起きることがわかった。このことから、ハードカーボンを負極に用いたNa電池が過充電された場合、ある程度まではハードカーボンの内部細孔がナトリウムを擬金属クラスターとして所蔵し、デンドライト析出を抑制するバッファーとして作用することを明らかとなった。
本研究結果については令和元年度中にまとめ、論文として投稿した。（2020年5月、当該論文受理）
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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
ハードカーボン系炭素材料、黒鉛層間化合物系材料の両方について十分な成果を得ており、どちらも論文にまとめ出版してきている。また関連するリン電極についても論文として報告しており、順調に研究成果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究目的については昨年度までに主要な部分を既に達成した。最終年度である令和2年度は、残っている課題であるヘテロ元素導入炭素についての検討等を継続する。理想的なハードカーボンの構造と、工業的な生産が可能な炭素材料の構造の違いを明らかにし、そのギャップを埋める処理を施すことで高性能かつ廉価な電極材料の作製を目指す。
三元系GICではナトリウム以外のアルカリ金属導入化合物に対象を広げて研究を展開しており、黒鉛層内でのアルカリ金属／溶媒間、もしくはアルカリ金属／炭素層間の普遍的な相互作用を明らかにしていく。
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[Journal Article] Structural Analysis of Sucrose-Derived Hard Carbon and Correlation with the Electrochemical Properties for Lithium, Sodium, and Potassium Insertion2020
Author(s)
Kei Kubota, Saori Shimadzu, Naoaki Yabuuchi, Satoshi Tominaka, Soshi Shiraishi, Maria Abreu-Sepulveda, Ayyakkannu Manivannan, Kazuma Gotoh, Mika Fukunishi, Mouad Dahbi and Shinichi Komaba
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Journal Title
Chemistry of Materials
Volume: 32
Pages: 2961-2977
DOI
Peer Reviewed
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