Achieving High-Speed and High-Efficiency Electrochemical Reactions through Ion Arrangement Control in Nanoparticle Crystals

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K05241
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: Iwama Etsuro 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90726423)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 直井 勝彦 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 名誉教授 (70192664) ; 沖田 尚久 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70846625)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: イオン配列制御 / 高速充放電 / エネルギー高効率

Outline of Final Research Achievements

This study focuses on the localized chemical arrangement within and on the surface of crystals (Local Chemical Order, "LCO"), as well as on vacancies, defects, and grain boundaries near the "LCO." Through quantitative analysis of these features, we aim to develop novel energy storage materials that enable high-output, high-efficiency, and stable electrochemical reactions. By controlling the ionic arrangement within the crystal (including cation arrangement and defect introduction), the goal is to manipulate the thermodynamic energy level distribution of redox reactions, thereby achieving more efficient reactions and faster charge-discharge cycles. Applying this approach to the numerous ion-insertion type battery electrode materials synthesized so far is expected to transform them into high-performance, novel energy storage materials.

Free Research Field

電気化学・エネルギー化学・ナノ材料科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

局所化学配列(LCO)解析・制御に着目した本研究は、リチウムイオン電池負極材料Li3VO4をモデル材料として、X線散乱解析からcation-disorder化したLi3VO4結晶内の秩序配列距離の数値化を試みた点で画期的である。本手法を他のLCO制御材料に適用することで、秩序配列距離の数値比較を行い、材料特性と紐づけすることで新たな解析軸が生まれ、新規材料開発に繋がると期待される。さらに本研究で開発された材料転換手法を、これまで合成された無数のイオンインサーション型の電池電極材料群を原型として適用することで、高性能な新規蓄電材料群へと転換させることが可能となると期待される。