2022 Fiscal Year Annual Research Report
Revealing Decomposition Mechanism of K-ion Batteries by Operando Mass Spectrometry
| Project/Area Number |
21K14724
|
|---|
| Research Institution | Tokyo University of Science |
|---|
Principal Investigator |
多々良 涼一 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 助教 (20876081)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 蓄電池 / 二次電池 / カリウムイオン電池 / 質量分析 / オペランド測定 / ガス分析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
カリウムイオン電池は、現行の蓄電デバイスとして広く利用されているリチウムイオン電池に比べ、希少金属や有害元素を含まない電池として期待されている。しかしながらカリウムイオン電池の劣化についてはリチウムイオン電池と異なる挙動が多く、未だ劣化のメカニズムが明らかとなっていない。劣化メカニズムを解明するには電池セル内で発生する微量の分解物を検出することが必須であるが、このためには分解物を高感度で、かつ時間分解能よく検出することが求められる。質量分析法は「プールの水に一滴分の試薬」でも検出できると言われるほどの超高感度分析手法であるが、本研究では電池セルの充放電と同時に発生ガスを質量分析する「オペランド質量分析法」を用いて、カリウムイオン電池の充放電中の微量分解物を検出・分析しその劣化メカニズムを明らかにすることを目的とした。具体的には、本研究では以下の2手法を相補的に用いた。
①充放電後の電解液を取り出し、ガスクロマトグラフ質量分析にて分解物を同定する
②オペランドセルを用いた充放電同時測定により、①で同定した分解物の濃度増減を電池セル充放電中に追跡する
オペランド分析は、時間分解能を上げるために分離カラムを通さずに質量分析を行うため、化合物の同定は通常分析に比べると不得手になる。予め通常測定で分解物を同定し、その結果を元に時間分解能の高いオペランド測定を行うことで、分解物と分解条件の双方を明らかにできるものである。本研究では、分解反応として電解液溶媒であるエチレンカーボネートとジエチルカーボネートが反応し2量体・3量体が生成することを示唆する結果や、KN(SO2)2Fやジメチルスルファモイルフルオリドなど特定の添加剤が電池セル内での分解反応を抑制することを明らかにした。またリチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池の分解機構解明やカリウムイオン電池との比較にも有用であった。
|
