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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Development of safe and high-performance secondary batteries based on nanotubes and assessment of their impacts on reduction of greenhouse gas emission

Research Project

Project/Area Number 21H04633
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

野田 優  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50312997)

Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
Keywords二次電池 / ナノチューブ / 安全・高性能 / 低炭素化 / 技術評価
Outline of Annual Research Achievements

項目1. 高エネルギー密度・高安全性二次電池の開発:SiO/C-CNT自立膜負極とNCM-CNT正極を組み合わせた全電池を開発した。SiOは初回のリチオ化時にLi4SiO4を、CNTは高い比表面積により固体電解質界面相(SEI)を不可逆的に形成して活性なLiを多く消費する。そこでSiO/C-CNT膜を電解液で濡らしLi箔と重ねることでプレリチオ化した。全電池ではLi+が移動する空きサイトも必要なため、SiO/C-CNT膜と完全にリチオ化したf-LixSiO/C-CNTを組み合わせる部分プレリチオ化を提案、p-LixSiO/C-CNT負極とNCM-CNT正極を組み合わせた全電池で、1, 300サイクルで正負極合計質量基準で542, 420 Wh/kgの高エネルギー密度を実現した。
項目3. 電池の製造・利用・廃棄のLCA:項目1で開発したCNTベースSiO||NCM全電池のLCAを実施した。米国アルゴンヌ国立研究所のBatPaCモデルを用い電池パック製造に必要な材料量を算出、SiO負極材について公開特許をもとに製造プロセスをデザインしGHG排出量を算出した。これらを元にLCAを実施、CNT集電体による金属箔レス構造でGHG排出が低減した一方、プレリチオ化による電解液消費量の増大とプロセス時間延長に伴うドライルーム消費電力増大によりGHG排出が増えることが分かり、電解液量の削減とプロセス時間の短縮を進めた。
項目4. 社会実装性に優れた電池の提案:使用済みリチウムイオン電池の材料リサイクルの検討を継続、黒鉛負極材、NCM正極材に加えNCA正極材、LFP正極材も検討した。LIBによる低環境負荷低減に向け、EVでの使用済みLIBを静置型蓄電所に用い再エネ電力を平準化してLIB工場を動かすシナリオを、九州と北海道に対して設定してLCAを実施した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (26 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] A stable full cell having high energy density realized by using a three-dimensional current collector of carbon nanotubes and partial prelithiation of silicon monoxide2024

    • Author(s)
      Mae Tomotaro、Kaneko Kentaro、Sakurai Hiroki、Noda Suguru
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 218 Pages: 118663~118663

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2023.118663

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stable and high-capacity SiO negative electrode held in reversibly deformable sponge-like matrix of carbon nanotubes2023

    • Author(s)
      Mae Tomotaro、Kaneko Kentaro、Li Mochen、Noda Suguru
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 209 Pages: 118014~118014

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2023.118014

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Safe and damage-less dry-purification of carbon nanotubes using FeCl3 vapor2023

    • Author(s)
      Tanaka Hideaki、Goto Takuma、Hamada Kohki、Ohashi Kei、Osawa Toshio、Sugime Hisashi、Noda Suguru
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 212 Pages: 118171~118171

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2023.118171

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] カーボンナノチューブ三次元集電体を用いたSiO-NCM全電池の開発と製造に伴う環境影響の評価2024

    • Author(s)
      〇前 智太郎,Teah Heng Yi,平尾 雅彦,野田 優
    • Organizer
      化学工学会第89年会
  • [Presentation] 触媒原料分解促進による浮遊触媒CVD法でのカーボンナノチューブの安定連続合成2024

    • Author(s)
      〇直塚 悠希,Lang Jianghua,大沢 利男,野田 優
    • Organizer
      化学工学会第89年会
  • [Presentation] 安全なエッチング剤を用いたカーボンナノチューブの乾式精製法の開発2024

    • Author(s)
      〇田中 駿,後藤 拓磨,大沢 利男,野田 優
    • Organizer
      化学工学会第89年会
  • [Presentation] 流体混合制御による浮遊触媒CVD法でのカーボンナノチューブの安定連続合成2024

    • Author(s)
      〇Lang Jianghua,大沢 利男,野田 優
    • Organizer
      化学工学会第89年会
  • [Presentation] Economic and environmental analysis of repurposing retired EV batteries for renewable energy storage systems: Case studies in Kyushu and Hokkaido2024

    • Author(s)
      〇Zih-Ee Lin, Heng Yi Teah, Masahiko Hirao, Suguru Noda
    • Organizer
      第19回日本LCA学会研究発表会
  • [Presentation] Safe and damage-less dry-purification of carbon nanotubes using Br2 vapor2024

    • Author(s)
      Takuma Goto, Toshio Osawa, 〇Suguru Noda
    • Organizer
      第66回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • [Presentation] Stable and continuous synthesis of carbon nanotubes by floating catalyst CVD with fluid mixing control2024

    • Author(s)
      〇Jianghua Lang, Toshio Osawa, Suguru Noda
    • Organizer
      第66回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • [Presentation] Recycling of spent anode for Li-ion battery recycling and its life cycle analysis2023

    • Author(s)
      〇Subramanian Natarajan, Tomotaro Mae, Heng Yi Teah, Hiroki Sakurai, and Suguru Noda
    • Organizer
      7th International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Damage-less dry-purification of carbon nanotubes using Br2 vapor2023

    • Author(s)
      〇Takuma Goto, Toshio Osawa, and Suguru Noda
    • Organizer
      13th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy, and Environment
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Safe and damage-less dry-purification of carbon nanotubes using FeCl3 vapor2023

    • Author(s)
      〇Suguru Noda
    • Organizer
      13th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy, and Environment
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Lithium-sulfur technology reduces the environmental impact of lithium-ion batteries2023

    • Author(s)
      〇Heng Yi Teah, Qi Zhang, Kotaro Yasui, Suguru Noda
    • Organizer
      20th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering (APCChE2023) Congress
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lithium-sulfur technology reduces the environmental impact of lithium-ion batteries2023

    • Author(s)
      〇Heng Yi Teah, Qi Zhang, Kotaro Yasui, Suguru Noda
    • Organizer
      11th International Conference on Industrial Ecology (ISIE2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhanced carbon nanotube production by floating catalyst CVD via overheating of catalyst sources2023

    • Author(s)
      〇Jianghua Lang, Katsuya Namiki, Zihao Zhang, Itsuki Chikaarashi, Toshio Osawa, Hisashi Sugime, Suguru Noda
    • Organizer
      The 23rd International Conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT23)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multi-functional carbon nanotube sponge-like paper that holds lithium polysulfide and supporting salts for simple fabrication of stable and high energy-density Li-S battery2023

    • Author(s)
      〇Kaito Nakamae, Tomotaro Mae, Kentaro Kaneko, Mochen Li, and Suguru Noda
    • Organizer
      The 23rd International Conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT23)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stable, high energy-density SiO-NCM full cell based on three dimensional current collector of carbon nanotubes and partial prelithiation method2023

    • Author(s)
      〇Tomotaro Mae, Kentaro Kaneko, Hiroki Sakurai, and Suguru Noda
    • Organizer
      The 23rd International Conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT23)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Proper Electrolytes for Pre-Lithiation of SiO-Carbon Nanotube Sponge Anode for Lithium-Ion Batteries2023

    • Author(s)
      〇Ben HUANG, Tomotaro Mae, Suguru Noda
    • Organizer
      第64回電池討論会
  • [Presentation] 多硫化リチウムと混合支持塩を用いたLi-S電池のエネルギー密度向上と安定動作2023

    • Author(s)
      〇中前 快斗,前 智太郎,野田 優
    • Organizer
      第64回電池討論会
  • [Presentation] カーボンナノチューブの実用合成、精製、電池応用と技術評価2023

    • Author(s)
      〇野田 優
    • Organizer
      第60回 粉体に関する討論会
    • Invited
  • [Presentation] サステナビリティと研究開発の一考察:再エネと蓄電池とナノテクを例として2023

    • Author(s)
      〇野田 優
    • Organizer
      SPEED2023 第3回研究会
    • Invited
  • [Presentation] 臭素蒸気を用いたカーボンナノチューブの低損傷乾式精製法の開発2023

    • Author(s)
      〇後藤 拓磨,大沢 利男,野田 優
    • Organizer
      化学工学会第54回秋季大会
  • [Presentation] カーボンナノチューブ三次元集電体と部分プレリチオ化によるSiO-NCM全電池の高容量安定動作2023

    • Author(s)
      前 智太郎,金子 健太郎,桜井 宏樹,野田 優
    • Organizer
      化学工学会第54回秋季大会
  • [Remarks] 代表者・野田ホームページ

    • URL

      https://noda.w.waseda.jp/index-j.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] カーボンナノチューブの精製方法および精製装置、ならびに、これらによって製造されるカーボンナノチューブの集合体2024

    • Inventor(s)
      野田 優,田中 駿,後藤 拓磨,蛭子 蒼太
    • Industrial Property Rights Holder
      早稲田大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2024-27609

URL: 

Published: 2024-12-25  

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