2022 Fiscal Year Annual Research Report
Theory of highly concentrated aqueous electrolyte and application to dual ion battery
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21H04700
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
石原 達己 九州大学, 工学研究院, 教授 (80184555)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ステイコフ アレキサンダー 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 准教授 (80613231)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| Keywords | デュアルイオン電池 / 水電解液 / 高濃度 / イオン性液体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
デュアルイオン電池(DIB)は炭素へのアニオンとカチオンの挿入を利用した2次電池である。この電池は高濃度水系電解液を用いると、Liイオン電池並みの高エネルギー密度に到達できる可能性がある。多成分系高濃度水系電解液では、電位窓が大きく広がるが、溶媒和構造を含めて、その機構は十分、解明されていないので、そこで、本研究では電位窓を広く取れる高濃度電解液の探索とその溶媒和構造を含めて、安定性が向上する機構を検討した。初年度は、水系電解液への添加物効果 を検討し、アセトニトリルまたはテトラグライム(G4)を添加すると耐還元性が大きく向上し、1.7-5.2Vという広い電位窓を到達することができた。２年度目は、さらに検討の領域を広げ、電位窓が広がる機構を検討した。ラマン分析からはG4を添加するとすべての水がLiFSI-LiTFSIという支持塩に溶媒和することが分かった。さらに詳細なハイブリッド電解液の溶媒和構造を検討し、G4の混合は、水和クラスターにトラップされているアニオンを自由にし、インタカレートしやすくする効果があることを活性化エネルギーの測定で示した。高濃度水系電解液中ではアニオンはLi+の溶媒和クラスターにトラップされており、インタカレートを生じにくいが、G4の添加で、Li+により強く溶媒和するので、電荷が局所化し、アニオンはトラップから解放される。この結果、インタカレーションする活性化エネルギーは低下することが分かった。一方、KS6/Mo6S8というフルセルを作成し、繰り返し充放電の安定性を検討した。その結果、G4を添加するとMo6S8上に良好なSEIが生成し、電解液の分解が抑制されることを示した。セルは、40mAh/g程度の容量を500サイクル安定に示した。
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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
当初、目的としていた高濃度電解液による電位までの拡張を目的に種々の添加物効果を検討し、テトラグライムが良好な正の添加効果を示すことを見出した。またNMRやラマン分析を中心に溶媒和構造を検討し、ほぼ目的とした溶媒和構造に関する情報を得ることができた。実際にデュアルイオン電池を作成し、50mAh/g程度の比較的、安定な繰り返し特性を得ることができているので、当初の計画していた成果は得られており、ほぼ目的通りに進捗していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、濃厚電解液中の溶媒和構造を検討するとともに、ハイブリッド系水電解液について、添加物が電位窓に与える影響を明確にする。とくにDIBの動作を視野に入れて、酸化電位を維持しながら、還元電位を低下できる添加物を探索し、その電位窓が拡大できる機構を溶媒和クラスターの構造から明確にする。今後はイオン性液体―水系のハイブリッド電解液の溶媒和構造と誘電率やLiイオン伝導性などの基礎物性を明確にする。 一方で、現在のセルでは表面反応により自己放電と充放電のクーロン効率がやや低い。そこで、KS-6表面を種々の材料でコートし、自己放電の抑制と各充放電サイクル時のクーロン効率の向上を検討する。また、高容量な負極として新たにFeを添加したMoNb12O33について検討し、この材料を負極とするセルでは、高い充放電電位と優れたサイクル安定性を有することを示す。
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