Revealing Decomposition Mechanism of K-ion Batteries by Operando Mass Spectrometry

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14724
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: Tatara Ryoichi 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 Final Research Achievements

Predominantly utilized lithium-ion batteries for energy storage could potentially be supplanted by potassium-ion batteries, projected to be absent of minor metals and deleterious constituents. However, the degradation mechanism of potassium-ion batteries substantially diverges from that of their lithium-ion analogs, and the precise mechanism is yet to be defined. The detection of trace amounts of decomposition derivatives generated within the battery cell is essential to elucidating this mechanism. Consequently, the goal of this study was to identify and meticulously analyze the subtle degradation by-products occurring during the charge-discharge cycles of potassium-ion batteries using "operando mass spectrometry", thus enhancing our understanding of their degradation mechanism.

Free Research Field

電気化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

リチウムイオン電池は現在広く普及しており、低コストで資源制約のないナトリウムイオン電池の上市に向けた研究開発も各企業で進められている。カリウムイオン電池はさらに次世代の蓄電池であるが、ナトリウムイオン電池と同等の低コストで、かつナトリウムイオン電池以上のエネルギー密度が出せる可能性を有する。一方でリチウム、ナトリウム、カリウムのイオン半径の違いから、カリウムイオン電池の劣化メカニズムはリチウムイオン電池とは異なるモードで進むため不明な部分が多い。本研究でカリウムイオン電池の劣化メカニズムに迫ったことは学術・社会の両面から意義あるものであったと考えらえる。