Electrolyte design for ultra-fast cathode reaction in Mg2+ rechargeable batteries

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14759
• 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 Agriculture and Technology
• Principal Investigator: Chikaoka Yu 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: 電解液 / Mg2+電池 / 溶液構造 / ポストリチウム電池

Outline of Final Research Achievements

We developed dual-salt electrolytes consisting of a conventional magnesium salt ([Mg(TFSA)2]) and quaternary ammonium salts (SBPB4, SBPPF6, and SBPTFSA) for realizing ultrafast cathode reaction in Mg2+ rechargeable batteries. The charge-discharge test revealed that the dual-salt system (0.5 M Mg(TFSA)2 + 1.0 M SBPBF4) showed a high capacity (150 mAh g-1 at 0.5C-rate) at room temperature. Furthermore, detailed analyses based on Raman and molecular dynamics simulations indicate that the [Mg2+-BF4-] structure with multiple coordinated anions is a key point in enhancing the Mg2+ insertion/extraction reaction at the cathode.

Free Research Field

電気化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、ポストリチウムイオン電池として期待されるMg2+電池の正極反応を高速化する電解液設計が開拓され、実用化に向けた基盤が構築されたと考える。また、開発した異種イオン混合型電解液は他のポストLi+電池(Ca2+, Al3+等)においても同様に性能が向上する傾向を見出しつつあり、社会的・学術的な波及効果が大きいと考える。さらに、これまで体系的に理解されていなかった電解液のアニオン種と正極反応速度の関連性を解明する足掛かりとして、本研究がその理論構築の一助になることが期待される。