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新奇活イオン液体の設計・合成と「応用電気化学」への展開

計画研究

研究領域活イオン液体の科学
研究課題/領域番号 23H03827
研究種目

学術変革領域研究(B)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関大阪大学

研究代表者

山田 裕貴  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30598488)

研究分担者 岡 弘樹  東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (50907376)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
31,980千円 (直接経費: 24,600千円、間接経費: 7,380千円)
2025年度: 12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円)
2024年度: 13,910千円 (直接経費: 10,700千円、間接経費: 3,210千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
キーワード電解液 / 蓄電池 / 電気化学反応 / 二次電池 / 活イオン液体 / リチウム金属 / 電極電位
研究開始時の研究の概要

「活イオン液体」の多様性を追求するとともに応用電気化学の基礎概念およびエネルギー貯蔵・変換材料の設計概念の変革を目指す。活イオン液体の構成成分となる溶媒分子およびイオンを新たに設計・合成し、従来の材料にはない高機能の活イオン液体を開発する。活イオン液体が示す特異的機能の発現機構を精密界面分析によって明確化するとともに、次世代エネルギー貯蔵・変換デバイスの実現に向けた新学術基盤を確立する。

研究実績の概要

本研究では、反応活性を有するイオン「活イオン」を高濃度に含む「活イオン液体」の新設計・合成と二次電池を中心とする電気化学デバイスへの応用を目的とした。
今年度は、リチウムイオン電池用の新規活イオン液体の設計・合成を中心に行った。これまでの研究において、リチウムイオンに弱く配位する溶媒を用いることで、リチウム電極電位が上昇し、リチウム金属負極の充放電効率が上昇する傾向を見いだしている。この知見に基づき、リチウムイオンに極めて弱く配位する溶媒群を設計・合成した。具体的には、NSO2F構造を有する溶媒群である。LiN(SO2F)2塩を溶解することで電解液を調製し、さまざまな基礎物性評価、電気化学評価を行った。本電解液中におけるリチウム電極電位をフェロセン基準で測定したところ、同等のリチウム塩濃度においてこれまでで最も大きなアップシフトが観察された。これは、当該電解液中でリチウムイオン化学ポテンシャルが極めて高いことを意味する。更に、この電解液中においてリチウム金属二次電池特性を評価したところ、既存の有機溶媒電解液やイオン液体電解液と比べても高い充放電効率が得られた。また、さまざまな側鎖構造を有する溶媒群を合成し、リチウム電極電位やリチウム金属二次電池特性を調べ、適した側鎖構造を特定した。
本成果は、リチウム電極電位の大幅な上昇に向けた新たな電解液設計を提示するものである。次世代二次電池の筆頭候補とされるリチウム金属二次電池用電解液の実現に向けた重要な学術基盤となる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初は、良好な特性を示す新電解液の開発に時間がかかるものと予想していたが、初年度で非常に良い特性を示す新溶媒の設計・合成に成功した。

今後の研究の推進方策

新たな「活イオン液体」材料系が見いだされ、研究は当初の計画以上に進展している。今後は、見いだされた溶媒群をベースとして、更なる高性能電解液材料の設計・合成を行う。新溶媒の開発が当初の予定よりも早くなされたため、次年度は新規リチウム塩(アニオン)の設計・合成にも着手する予定である。また、二次電池以外への応用についても検討を始める。具体的には、窒素還元や二酸化炭素還元などの電気化学的物質返還反応の電解液として検討する予定である。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件) 備考 (5件)

  • [雑誌論文] Stabilization of lithium metal in concentrated electrolytes: effects of electrode potential and solid electrolyte interphase formation2024

    • 著者名/発表者名
      Anusha Pradhan , Shoma Nishimura , Yasuyuki Kondo , Tomoaki Kaneko , Yu Katayama , Keitaro Sodeyama, Yuki Yamada
    • 雑誌名

      Faraday Discuss.

      巻: - ページ: 314-328

    • DOI

      10.1039/d4fd00038b

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 黒鉛負極のLi+挿入反応挙動に対する電解液中Li+化学ポテンシャルの影響2024

    • 著者名/発表者名
      中島遥捺、近藤靖幸、片山祐、山田裕貴
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] FSI-類似構造を有する弱配位性溶媒を用いたリチウム金属二次電池反応の高効率化2024

    • 著者名/発表者名
      西村尚真、近藤靖幸、竹内一輝、片山祐、岡弘樹、山田裕貴
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Science of “active ion-rich liquids” (concentrated electrolytes): unique functions and battery applications2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Yamada
    • 学会等名
      2023 Joint Symposium on Molten Salts
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] “活イオン液体”の科学:特異現象の理解と多様な分野への展開2023

    • 著者名/発表者名
      山田裕貴
    • 学会等名
      2023年度イオン液体研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] “活イオン液体”の科学:特異な電池反応と多様な分野への展開2023

    • 著者名/発表者名
      山田裕貴
    • 学会等名
      第8回有機結晶プレシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] “活イオン液体”の科学:特異物性とその応用2023

    • 著者名/発表者名
      山田裕貴
    • 学会等名
      第6回イオン液体研究会 若手の会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 黒鉛負極へのリチウムイオン挿入反応挙動の定量的支配因子の提案2023

    • 著者名/発表者名
      中島遥捺、近藤靖幸、片山祐、山田裕貴
    • 学会等名
      第3回関西電気化学研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 超弱配位性溶媒の採用によるリチウム金属二次電池反応の高効率化2023

    • 著者名/発表者名
      西村尚真、近藤靖幸、竹内一輝、片山祐、岡弘樹、山田裕貴
    • 学会等名
      第3回関西電気化学研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 山田研究室ウェブサイト

    • URL

      https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/eem/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/yuki_yamada

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Google Scholar

    • URL

      https://scholar.google.co.jp/citations?hl=ja&user=c2e3ligAAAAJ&view_op=list_works

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] publons

    • URL

      https://publons.com/researcher/1686764/yuki-yamada/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 「活イオン液体の科学」領域ウェブサイト

    • URL

      https://active-ions.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-04-17  

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