2019 Fiscal Year Annual Research Report
Material Innovation for Li/Na Batteries with Metastable Phases
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18H02076
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
藪内 直明 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (80529488)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 蓄電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低炭素社会の実現には、電気自動車の性能向上を実現する高エネルギー密度のリチウムイオン電池が、また、再生可能エネルギーの活用を目指して、ナトリウムイオン蓄電池の実用化が求められている。本研究課題ではそのためのコア技術となるリチウム・ナトリウムイオン電池用電極材料について、学術的な観点から”準安定化合物”をキーワードとした蓄電池材料設計指針の革新を実現し、その結果を元に新材料の創製を実現する。リチウム・ナトリウム過剰型の新規準安定相化合物の材料合成手法を確立し、電池の高エネルギー密度化を実現することを目的に研究を行っている。固体中のリチウム・ナトリウム含有量の向上により電池材料として”高容量化”を、さらに、電気陰性度の高い元素群を構造中に取り入れることで inductive 効果による”高電圧化”を実現することで、エネルギー密度を現行材料以上に向上を目指した研究を進めている。
昨年度までには準安定化合物としてリン酸塩と各種遷移金属元素の複合化に取り組み、実際に高容量と高電圧化が可能であるかどうか研究を遂行した。メカニカルミリングを用い、リン酸塩と遷移金属酸化物の複合化に成功している。本年度は詳細な構造解析を進め、固体NMR、ラマン分光測定、高エネルギーX線全散乱測定などを行い、その結果、これまでの測定ではリンの分布はナノスケールでは不均一であると思われていたが、実際にはかなり均一に分布しており、マンガンから構成された母構造中にリンがクラスターを形成することなく固溶していることを示す結果が得られた。これらの知見は従来材料の設計指針からは考えられない結果であり、今後、これらの知見を活かすことで新しい電池材料の創製、および、蓄電池の高性能化を実現し、将来的な再生可能エネルギーに立脚し
た社会構築への足がかりに繋がる成果であるといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究課題ではリチウム・ナトリウムイオン電池用電極材料について、学術的な観点か”準安定化合物”をキーワードとした蓄電池材料設計指針の革新を実現し、その結果を元に新材料の創製を実現することを目的としている。2019年度にはNa電池用準安定相新規材料としてNa-Ti-Mn系材料の合成に成功し、その結果を論文として Small 誌に報告している。また、昨年度より進めている、リン・マンガン系複合材料について詳細な構造解析を、固体NMR、ラマン分光測定、高エネルギーX線全散乱測定などの手法により進めた結果、その全容解明に成功している。得られた結果は現在、高インパクトファクターの学術雑誌に投稿中であり、当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は特にリン酸塩を複合化させた準安定相化合物について詳細な構造解析を行い、特異的な構造を明らかにすることに成功した。また、そのような特徴が電極材料として非常に優れた特性を示すことの一因であるともいえることが確認された。次年度はさらなる電気化学特性の向上を目的として熱処理による欠陥と応力の除去、さらに、適切なバインダーの選択、電解液添加剤の探索といった研究を昨年と同様に進めていく。また、詳細な熱的安定性を詳細に調べ、また、高圧発生装置を活用することで、固体中の不可逆な酸素の脱離を抑制する方法論の確立を目指した検討を行う。
これらの研究は、現代社会において重要性が非常に高まっているリチウム・ナトリウムイオン蓄電池の高性能化・実用化といった応用的観点におけるインパクトは非常に大きいものになると期待できる。さらに、準安定化合物の材料設計指針とその学理の構築、準安定相の安定性を決める因子と相変化機構の解明、電池材料における inductive 効果に関する学問の体系化、などが進展すれば、学術的な観点からもその独創性や創造性も高く、固体化学・材料化学分野における波及効果も非常に大きいといえる。
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Research Products
(8 results)
