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2022 Fiscal Year Annual Research Report

反応・異種イオンの輸送能を最適化した新規高出力型電解液の開発

Research Project

Project/Area Number 21K20554
Research InstitutionTokyo University of Agriculture and Technology

Principal Investigator

近岡 優  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00908626)

Project Period (FY) 2021-08-30 – 2023-03-31
KeywordsLi+電池 / 電解液
Outline of Annual Research Achievements

低炭素社会に向けた蓄電デバイス(Li+電池等)への需要増大に対し、更なる高エネルギー密度化が求められる。本研究では、2種のカチオンを混合した異種イオン混合型電解液に着目し、反応・異種イオンの輸送能を最適化した設計指針の開拓を目的とした。特に低誘電率(低い相互作用)を有する溶媒を主骨格とした設計により、従来の課題であったLi+輸送能低下を改善しつつ電極内イオン拡散性を向上させる新規異種イオン混合型電解液を目指した。具体的には、低誘電率溶媒としてジメチルカーボネート(DMC)がスピロ型4級アンモニウム塩(SBPBF4等)を特異的に溶解可能であることに着目した。実際にLi塩とSBPBF4、DMC溶媒を組み合わせた電解液を調製した結果、従来のプロピレンカーボネート(PC)溶媒系と比較して、1.5-2倍程度の高いイオン伝導度を実現できることを見出した。さらに、Li+伝導度を磁場勾配NMRによって解析した結果、従来の異種イオン混合型電解液(PC系)よりも2倍程度高いLi+伝導度を示すことが明らかとなった。これは、当初の目的であった高イオン伝導度と高Li+伝導を両立した電解液設計が実現できることを示唆する結果である。実際にLi4Ti5O12//活性炭を用いて充放電試験を実施した結果、200 mA cm-2の電流値で容量維持率50%超という高速な充放電特性を達成した。さらに、SBPBF4を混合した電解液系ではLi4Ti5O12を用いた電池系のガス発生抑制(20-50%減)も確認し、長寿命特性が得られる可能性が示唆された。さらに、Li+電池系だけでなく、Mg2+電池系にも異種イオン混合型の電解液により高出力特性が得られる可能性が見出された。以上より、異種イオン混合により種々の電池系における出力・サイクル特性の向上効果が示され、今後の電解液開発に対する新規設計指針となりうることが期待できる。

  • Research Products

    (5 results)

All 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (2 results)

  • [Journal Article] Strategy for Ultrafast Cathode Reaction in Magnesium-Ion Batteries Using BF4 Anion Based Dual-Salt Electrolyte Systems: A Case Study of FePO42023

    • Author(s)
      Chikaoka Yu、Nakata Naomasa、Fujii Kenta、Sawayama Saki、Ochi Riko、Iwama Etsuro、Okita Naohisa、Harada Yuta、Orikasa Yuki、Naoi Wako、Naoi Katsuhiko
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1021/acsaem.2c04182

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Controlling the Phase Separation of Dimethyl Carbonate Solvents Using a Dual-Cation System: Applications in High-Power Lithium Ion-Based Hybrid Capacitors2022

    • Author(s)
      Chikaoka Yu、Ochi Riko、Fujii Kenta、Ariga Takaaki、Sakurai Masato、Matsumoto Ayuna、Ueda Tsukasa、Iwama Etsuro、Naoi Katsuhiko
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Pages: 14389~14398

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c03004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Degradation of Li3V2(PO4)3-based full-cells containing Li4Ti5O12 or Li3.2V0.8Si0.2O4 anodes modeled by charge-discharge cycling simulations2022

    • Author(s)
      Chikaoka Yu、Okuda Reiko、Hashimoto Taiga、Kuwao Masafumi、Naoi Wako、Iwama Etsuro、Naoi Katsuhiko
    • Journal Title

      Electrochimica Acta

      Volume: 423 Pages: 140558~140558

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2022.140558

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 低誘電率溶媒DMCに対するスピロ型4級アンモニウム塩の特異的溶解性を利用したデュアルカチオン電解液の開発2022

    • Author(s)
      近岡優, 松本鮎奈, 越智梨瑚, 藤井健太, 岩間悦郎, 直井和子, 直井勝彦
    • Organizer
      第63回電池討論会
  • [Presentation] 低誘電率溶媒DMCを用いたハイブリッドキャパシタ用高出力型デュアルカチオン電解液の高耐電圧化2022

    • Author(s)
      松岡 昇吾, 近岡 優, 岩間 悦郎, 直井 和子, 直井 勝彦
    • Organizer
      第63回電池討論会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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