2022 Fiscal Year Research-status Report

高出力型Mg2+電池に適した新規異種イオン混合型電解液の開発

Research Project

Project/Area Number	22K14759
Research Institution	Tokyo 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)	2022-04-01 – 2024-03-31
Keywords	多価イオン電池 / Mg2+電池 / 電解液 / 溶液構造解析
Outline of Annual Research Achievements	資源偏在のリスク等からポストLi+電池の開発が求められる中、高エネルギー密度・高安全性が期待できるMg2+電池の実用化に注目が集まる。しかし、Mg2+電池はキャリアイオンの強い相互作用によって室温での高速充放電(1時間)が困難であり、実用化に向けては大きな障壁がある。これに対し本研究では、申請者がLi+電池系の電解液分野において継続的に取り組んできた、キャリアイオンとは異なるイオン種を混合する「異種イオン混合型電解液」をMg2+電池系へ拡張することで課題解決を目指した。2022年には種々のアニオン種(BF4, PF6, TFSA)を有する4級アンモニウム塩を混合した異種イオン混合型電解液を開発した結果、FePO4正極の充放電試験においてBF4混合型が非常に優れた出力特性を示すことが明らかとなった(室温下において2時間程度で充放電可能)。さらに溶液構造パラメータ(溶媒和数, 結合距離, 配向性など)を分子レベルで解明した結果、複数のBF4アニオンがMg2+カチオンに配位した構造体が推定され、この構造が高出力化に有効である可能性が示唆された。本研究により、Mg2+電池の実用化に向けた研究開発を推進させるだけではなく、電解液設計において「悪手」とされてきた異種イオン混合のアプローチが電解液設計に及ぼす影響を体系的な学理として構築できる可能性が示唆された。さらに、Mg2+電池系だけでなく、Ca2+/Zn2+電池系における異種イオン混合による出力特性向上効果も見出されており、種々の電池系における異種イオン混合によるアプローチの有効性が明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2022年度には当初目的としていたMg2+電池系での高出力化を異種イオン混合型電解液の開発により実現しただけでなく、X線散乱やMDシミュレーションを組み合わせた溶液構造解析まで踏み込んだメカニズム解明まで実施した。その結果は既に査読付き論文としてACS Applied Energy Materials誌に採択済みとなっている。以上のことからおおむね順調に進展していると判断した。
Strategy for Future Research Activity	2023年度はMg2+系だけでなく他の多価イオン電池系としてCa2+やZn2+系にまで異種イオン混合型電解液の設計を拡張し、出力特性の向上を目指す。初期検討において、既にこれらの電池系における出力特性向上効果が見出されており、今後はキャリアカチオン種の違いに伴う溶液構造変化と出力特性の関連性を体系的に明らかにする。
Causes of Carryover	次年度使用額が生じた理由は、物品調達において端数金額が発生したためである。使用計画としては、消耗品類の購入代金に組み込む予定である。