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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Study on solution strucuture and electrode passivation of organic electrolyte solution containging K salts

Research Project

Project/Area Number 20H02849
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

駒場 慎一  東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (20302052)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Keywordsカリウムイオン電池 / 黒鉛 / 電解液 / 添加剤
Outline of Annual Research Achievements

2021年度までに,カリウムイオン含有の有機電解液と黒鉛電極の電気化学特性について調査を実施し,カリウム黒鉛層間化合物の相転移の解析を行った.特に,黒鉛電極へのカリウム挿入・脱離時の相転移について,オペランドX線回折を用いて,結晶構造,とくにステージ構造,結晶子,結晶欠陥の変化を詳細に調査した.
黒鉛電極での調査結果を基に,新しく開発した電解液添加剤1,3,2-Dioxathiolane 2,2-Dioxideが金属カリウムの不動態化を促進し,安定な溶解析出反応を示すことを突き止め,その成果を活用することで,金属カリウムの表面前処理法を見出して,高分子固体電解質でのK半電池の作製法を確立し,プルシアンブルー系正極と黒鉛負極の二次電池作動に成功し,全固体カリウムイオン電池を初めて実証した.また,4ボルト作動が可能な正極材料KFeSO4Fについて,マグネシウムドーピングの効果を調査した.
新しい電解液添加剤として,様々な検討の結果から,ジメチルスルファモイルフルオライドを見出した.この添加剤はFSAアニオンと部分構造が類似しており,黒鉛負極の不動態化に特に顕著な効果を示す上,電極反応の高速化にも有効であった.さらに蓄電デバイスとして利活用する際に重要となる正極での耐酸化性も十分に高いことから,カリウムイオン電池全体の寿命を大幅に改善することができる.
以上の研究成果等を国際誌に発表した。2023年度は,これら黒鉛電極におていK挿入と Rb挿入反応の速度論的評価を進めると同時に,新たに希薄電極法を適用して定量的な理解を図り,キャリアイオンの違いが電池の電極反応速度に与える影響や,新しいカリウムインサーション材料の研究について検討に引き続き取り組む.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究開始3年で,当初の想定を上回る論文発表を行っている.研究の内容では,電解液構造の調査とモデル電極(黒鉛)の調査が順調に進み,なかでも全固体ポリマー電池や液体系電池の特性を飛躍的に改善する電解液添加剤を開発していることから当初の計画以上の進展が見られる.これらの成果を発展させて,異なるゲスト種(Li, Na, K、Rb)との比較と不動態被膜を含む界面挙動の系統的理解から,新に希薄電極法による速度論的解析に取りかかり,一部は学会に成果発表を行った.これらの成果も今後,学術誌での発表を目指して調査を加速させている。

Strategy for Future Research Activity

黒鉛電極やハードカーボン電極をモデル電極として,アルカリ金属ゲスト種(Li, Na, K、Rb)の系統的理解および速度論的解析を行い,電極反応の本質的な機構解明と高性能化の指針を確立し,電池への応用展開を図りたい.

  • Research Products

    (15 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 8 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Journal Article] Fluorosulfonamide-type electrolyte additives for long-life K-ion batteries2023

    • Author(s)
      Gossage Zachary T.、Hosaka Tomooki、Matsuyama Tatsuo、Tatara Ryoichi、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry A

      Volume: 11 Pages: 914~925

    • DOI

      10.1039/d2ta06926a

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High-performance SiO electrodes for lithium-ion batteries: merged effects of a new polyacrylate binder and an electrode-maturation process2023

    • Author(s)
      Yamazaki Shogo、Tatara Ryoichi、Mizuta Hironori、Kawano Kei、Yasuno Satoshi、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      Materials Advances

      Volume: 4 Pages: 1637~1647

    • DOI

      10.1039/D2MA01093C

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Impact of Ti and Zn Dual‐Substitution in P2 Type Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 on Ni-Mn and Na‐Vacancy Ordering and Electrochemical Properties2023

    • Author(s)
      Kubota Kei、Asari Takuya、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1002/adma.202300714

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Active material and interphase structures governing performance in sodium and potassium ion batteries2022

    • Author(s)
      Kim Eun Jeong、Kumar P. Ramesh、Gossage Zachary T.、Kubota Kei、Hosaka Tomooki、Tatara Ryoichi、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      Chemical Science

      Volume: 13 Pages: 6121~6158

    • DOI

      10.1039/D2SC00946C

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Superconcentrated NaFSA-KFSA Aqueous Electrolytes for 2 V-Class Dual-Ion Batteries2022

    • Author(s)
      Hosaka Tomooki、Noda Ayumi、Kubota Kei、Chiguchi Kento、Matsuda Yuki、Ida Kazuhiko、Yasuno Satoshi、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 14 Pages: 23507~23517

    • DOI

      10.1021/acsami.2c04289

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] All-Solid-State Potassium Polymer Batteries Enabled by the Effective Pretreatment of Potassium Metal2022

    • Author(s)
      Hamada Mizuki、Tatara Ryoichi、Kubota Kei、Kumakura Shinichi、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      ACS Energy Letters

      Volume: 7 Pages: 2244~2246

    • DOI

      10.1021/acsenergylett.2c01096

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Origin of enhanced capacity retention of aqueous potassium-ion batteries using monohydrate-melt electrolyte2022

    • Author(s)
      Hosaka Tomooki、Takahashi Rie、Kubota Kei、Tatara Ryoichi、Matsuda Yuki、Ida Kazuhiko、Kuba Kanji、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: 548 Pages: 232096~232096

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2022.232096

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mg-Doped KFeSO4F as a High-Performance Cathode Material for Potassium-Ion Batteries2022

    • Author(s)
      Kumar Petla Ramesh、Hosaka Tomooki、Shimamura Tomoaki、Igarashi Daisuke、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: 5 Pages: 13470~13479

    • DOI

      10.1021/acsaem.2c02148

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Application of P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 Electrode to All-Solid-State 3 V Sodium(-Ion) Polymer Batteries2022

    • Author(s)
      Tatara Ryoichi、Suzuki Hosei、Hamada Mizuki、Kubota Kei、Kumakura Shinichi、Komaba Shinichi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Pages: 20226~20234

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c06360

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Binder Chemistry for Si and 5-Volt Spinel Electrodes for LIB2023

    • Author(s)
      Shinichi Komaba
    • Organizer
      International Battery Association - 2023 Annual Conference (IBA 2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of Na-insertable hard carbons as “Beyond Li-GIC“2022

    • Author(s)
      Shinichi Komaba, Azusa Kamiyama, Kei Kubota, Daisuke Igarashi, Ryoichi Tatara, and Tomooki Hosaka
    • Organizer
      Na Battery Symposium 2022 (SBS-3), Humboldt-University Berlin in Berlin-Adlershof
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] 脱炭素投資入門2022

    • Author(s)
      日本経済新聞出版
    • Total Pages
      100
    • Publisher
      日経BP 日本経済新聞出版
    • ISBN
      978-4-296-11611-9
  • [Remarks] リチウムイオン二次電池の欠点を克服する、新たな二次電池の開発を目指して(東京理科大学)

    • URL

      https://www.tus.ac.jp/today/archive/20200115003.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] カリウムイオン電池用正極活物質、カリウムイオン電池用正極、及びカリウムイオン電池2022

    • Inventor(s)
      駒場慎一ほか
    • Industrial Property Rights Holder
      駒場慎一ほか
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-031044
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 負極活物質、負極、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池及び負極活物質の製造方法2022

    • Inventor(s)
      駒場慎一ほか
    • Industrial Property Rights Holder
      駒場慎一ほか
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-089895

URL: 

Published: 2023-12-25  

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