４ボルト級ナトリウムイオン電池を実現する層状マンガン系酸化物の研究

• 研究課題/領域番号: 16H04225
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: デバイス関連化学
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 駒場 慎一 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (20302052)
• 研究協力者: 久保田 圭
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2018年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2017年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2016年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 蓄電池 / 酸化物 / レドックス / インターカレーション / ナトリウムイオン電池 / 層状酸化物 / 電気化学 / ナトリムイオン電池

研究成果の概要

ナトリウムイオン電池の大容量かつ４ボルト作動をめざし，層状マンガン酸化物および関連する電池材料の研究を行った．化学組成がNaMnO2の酸化物の各種結晶構造，およびNaが欠損した組成での結晶構造とその合成条件を詳細に調べた．なかでも，ニッケル，アルミニウム，チタンによる部分置換の効果が電池性能特性の鍵を握ることを明らかにした．さらにマンガンのヤーンテラー歪みによる構造変化と電気化学特性を調査した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

高性能リチウムイオン電池は，レアメタルであるリチウムが必要で，リチウム資源は輸入に依存している．そこで非リチウムで，低コストマンガン酸化物に着目して，４ボルト作動を目指した材料開発を行った．得られた成果は，低コスト高性能蓄電池の実現に資するもので，次世代の環境・エネルギー技術としての意義だけでなく，マンガン酸化物の結晶構造と化学組成，電気化学特性の相関を解明する学術研究として意義がある．

研究成果

• [国際共同研究] ソルボンヌ大学(フランス)
• [国際共同研究] イエーナ大学/カールスルーエ工科大学(ドイツ)
• [国際共同研究] ピエール・エ・マリー・キュリー大学(フランス)
• [国際共同研究] CIC(スペイン)
• [国際共同研究] ウルム大学/イエーナ大学(ドイツ)
• [国際共同研究] 世宗大学(韓国)
• [国際共同研究] マラケシ大学(モロッコ)
• [雑誌論文] Optimizing Micrometer-Sized Sn Powder Composite Electrodes for Sodium-Ion Batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: FUKUNISHI Mika、HORIBA Tatsuo、DAHBI Mouad、KUBOTA Kei、YASUNO Satoshi、KOMABA Shinichi
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 87 号: 1 ページ: 70-77
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.18-00069
  • NAID: 130007542953
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2019-01-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] States of thermochemically or electrochemically synthesized NaxPy compounds analyzed by solid state 23Na and 31P nuclear magnetic resonance with theoretical calculation (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Morita, Kazuma Gotoh, Mouad Dahbi, Kei Kubota, Shinichi, Komaba, Kazuyasu Tokiwa, Saeid Arabnejad, Koichi Yamashita, Kenzo Deguchi, Shinobu Ohki, Tadashi Shimizu, Robert Laskowski, Hiroyuki Ishida
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: 413 ページ: 418-424
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.12.070
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Correlation of carbonization condition with metallic property of sodium clusters formed in hard carbon studied using 23Na nuclear magnetic resonance (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Morita, Kazuma Gotoh, Kei Kubota, Shinichi Komaba, Kenjiro Hashi, Tadashi Shimizu, Hiroyuki Ishida
  • 雑誌名: Carbon 巻: 145 ページ: 712-715
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2019.01.080
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hard carbons for sodium-ion batteries: Structure, analysis, sustainability, and electrochemistry (2019)
  • 著者名/発表者名: Dou Xinwei、Hasa Ivana、Saurel Damien、Vaalma Christoph、Wu Liming、Buchholz Daniel、Bresser Dominic、Komaba Shinichi、Passerini Stefano
  • 雑誌名: Materials Today 巻: 23 ページ: 87-104
  • DOI: 10.1016/j.mattod.2018.12.040
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electrochemistry and Solid-State Chemistry of NaMeO2 (Me = 3d Transition Metals) (2018)
  • 著者名/発表者名: Kei Kubota, Shinichi Kumakura, Yusuke Yoda, Kazutoshi Kuroki, and Shinichi Komaba
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 印刷中 号: 17 ページ: 1703415-1703415
  • DOI: 10.1002/aenm.201703415
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hard carbons issued from date palm as efficient anode materials for sodium-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Izanzar Ilyasse、Dahbi Mouad、Kiso Manami、Doubaji Siham、Komaba Shinichi、Saadoune Ismael
  • 雑誌名: Carbon 巻: 137 ページ: 165-173
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2018.05.032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Insights into Li+, Na+, and K+ Intercalation in Lepidocrocite-Type Layered TiO2 Structures (2018)
  • 著者名/発表者名: Reeves Kyle G.、Ma Jiwei、Fukunishi Mika、Salanne Mathieu、Komaba Shinichi、Dambournet Damien
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 1 号: 5 ページ: 2078-2086
  • DOI: 10.1021/acsaem.8b00170
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis and Electrochemical Performance of C-Base-Centered Lepidocrocite-like Titanates for Na-Ion Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Katogi Akihiro、Kubota Kei、Chihara Kuniko、Miyamoto Koji、Hasegawa Tatsuya、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 1 号: 8 ページ: 3630-3635
  • DOI: 10.1021/acsaem.8b00345
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesizing higher-capacity hard-carbons from cellulose for Na- and K-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hijiri、Muratsubaki Shotaro、Kubota Kei、Fukunishi Mika、Watanabe Hiromu、Kim Jungmin、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 6 号: 35 ページ: 16844-16848
  • DOI: 10.1039/c8ta05203d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Poly-γ-glutamate Binder To Enhance Electrode Performances of P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 for Na-Ion Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoda Yusuke、Kubota Kei、Isozumi Hayata、Horiba Tatsuo、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 10 号: 13 ページ: 10986-10997
  • DOI: 10.1021/acsami.8b01362
  • 査読あり
• [雑誌論文] Towards K-Ion and Na-Ion Batteries as “Beyond Li-Ion” (2018)
  • 著者名/発表者名: Kubota Kei、Dahbi Mouad、Hosaka Tomooki、Kumakura Shinichi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: The Chemical Record 巻: 18 号: 4 ページ: 459-479
  • DOI: 10.1002/tcr.201700057
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unraveling the Role of Doping in Selective Stabilization of NaMnO2 Polymorphs: Combined Theoretical and Experimental Study (2018)
  • 著者名/発表者名: Shishkin Maxim、Kumakura Shinichi、Sato Syuhei、Kubota Kei、Komaba Shinichi、Sato Hirofumi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 30 号: 4 ページ: 1257-1264
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b04394
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemistry and Solid-State Chemistry of NaMeO2 (Me = 3d Transition Metals) (2018)
  • 著者名/発表者名: Kei Kubota, Shinichi Kumakura, Yusuke Yoda, Kazutoshi Kuroki, and Shinichi Komaba
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: in press
• [雑誌論文] P′2-Na2/3Mn0.9Me0.1O2 (Me = Mg, Ti, Co, Ni, Cu, and Zn): Correlation between Orthorhombic Distortion and Electrochemical Property (2017)
  • 著者名/発表者名: Kumakura Shinichi、Tahara Yoshiyuki、Sato Syuhei、Kubota Kei、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 29 号: 21 ページ: 8958-8962
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b02772
  • 査読あり
• [雑誌論文] Origin of Enhanced Capacity Retention of P2-Type Na2/3Ni1/3-xMn2/3CuxO2 for Na-Ion Batteries (2017)
  • 著者名/発表者名: Kubota Kei、Yoda Yusuke、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: J Electrochem. Soc. 巻: 164 号: 12 ページ: A2368-A2373
  • DOI: 10.1149/2.0311712jes
  • 査読あり
• [雑誌論文] High performance red phosphorus electrode in ionic liquid-based electrolyte for Na-ion batteries (2017)
  • 著者名/発表者名: Dahbi Mouad、Fukunishi Mika、Horiba Tatsuo、Yabuuchi Naoaki、Yasuno Satoshi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: 363 ページ: 404-412
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2017.07.089
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sodium and Manganese Stoichiometry of P2-Type Na2/3MnO (2016)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Kumakura, Yoshiyuki Tahara, Kei Kubota, Kuniko Chihara, and Shinichi Komaba
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 55 号: 41 ページ: 12760-12763
  • DOI: 10.1002/ange.201606415
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Polymer Binder: A Key Component in Negative Electrodes for High-Energy Na-ion Batteries (2016)
  • 著者名/発表者名: Wanjie Zhang, Mouad Dahbi, and Shinichi Komaba
  • 雑誌名: Current Opinion in Chem. Engineering 巻: 13 ページ: 36-44
  • DOI: 10.1016/j.coche.2016.08.001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Hexafluorophosphate and Fluoroethylene Carbonate on Electrochemical Performance and Surface Layer of Hard Carbon for Sodium-Ion Batteries (2016)
  • 著者名/発表者名: Mouad Dahbi, Takeshi Nakano, Naoaki Yabuuchi, Shun Fujimura, Kuniko Chihara, Kei Kubota, Jin-Young Son, Yi-Tao Cui, Hiroshi Oji, and Shinichi Komaba
  • 雑誌名: ChemElectroChem 巻: 3 号: 11 ページ: 1856-1867
  • DOI: 10.1002/celc.201600365
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal Stability of NaxCrO2 for Rechargeable Sodium Batteries; Studies by High-Temperature Synchrotron X-Ray Diffraction (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoaki Yabuuchi, Issei Ikeuchi, Kei Kubota, and Shinichi Komaba
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces. 巻: 8 号: 47 ページ: 32292-9
  • DOI: 10.1021/acsami.6b09280
  • 査読あり
• [学会発表] NaMeO2 for Na-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba
  • 学会等名: ICNaB 2018; 5th International Conference on Sodium Batteries
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Towards Na-ion and K-ion batteries besides Li-ion (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba
  • 学会等名: XV International Conference on “Topical problems of energy conversion in lithium electrochemical systems”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Carbon electrodes for Li-, Na-, and K-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Kei Kubota, Shotaro Muratsubaki, Hiroo Onuma
  • 学会等名: CMCEE 2018 (12th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hard carbons made from cellulosefor Na- and K-ion batteries (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Hijiri Yamamoto, Kei Kubota, Shotaro Muratsubaki,Mouad Dahbi, and Ayyakkannu Manivannan
  • 学会等名: 231st ECS meeting, New Orleans
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 汎用アルカリ金属の炭素電極への電気化学的挿入 (2017)
  • 著者名/発表者名: 駒場 慎一，久保田 圭，ダビ ムアッド，村椿 将太郎，小沼 宏生
  • 学会等名: 第386回電池技術委員会
  • 招待講演
• [学会発表] Layered Na-Mn oxides for high-capacity rechargeable battery (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Shinichi Kumakura, and Kei Kubota
  • 学会等名: RSC 13th International Conference on Materials Chemistry (MC13),Liverpool, UK
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Layered oxides for Na- and K-ion batteries (Lead Plenary Lecture) (2016)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba
  • 学会等名: 3rd International Conference on Sodium Batteries
  • 発表場所: Geelong, Australia
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 理工系の基礎「教養化学」 (2016)
  • 著者名/発表者名: 駒場慎一 他25名
  • 総ページ数: 254
  • 出版者: 丸善出版
• [備考] 東京理科大学 駒場研究室
  • URL: https://www.rs.kagu.tus.ac.jp/komaba/
• [備考] 東京理科大学 駒場研究室
  • URL: http://www.rs.kagu.tus.ac.jp/komaba/
• [備考] 第4回 ナトリウム電池国際会議
  • URL: http://www.rs.tus.ac.jp/inab2017/
• [学会・シンポジウム開催] The 4th International Conference on Sodium Batteries (2017)