• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

リチウムイオン電池を凌ぐ高エネルギー密度マグネシウム蓄電池の開発

研究課題

研究課題/領域番号 17J08120
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 構造・機能材料
研究機関東北大学

研究代表者

下川 航平  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2019年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードマグネシウム蓄電池 / スピネル型酸化物 / 高濃度電解液 / 高エネルギー密度 / 高サイクル特性 / 中温作動 / 溶媒和イオン液体
研究実績の概要

本研究は,高エネルギー密度を有するマグネシウム蓄電池の実現を目指した新規正極材料および電解液の開発を目的としている.本年度は,特にスピネル型酸化物正極の研究において顕著な成果が得られた.
蓄電池の正極材料には,高電位や高容量というエネルギー密度に直結する性能に加えて,高いサイクル特性が求められる.これまでの研究から,MgCo2O4などのスピネル型酸化物が高電位かつ高容量の正極材料として作動することを明らかにしているものの,サイクル特性が乏しいことが問題点であった.これらのスピネル型酸化物ではMgイオンの挿入(放電)に伴い岩塩型構造への構造相転移を生じ,それが二相共存反応で生じることから(i)粒子表面で生成する岩塩相がMgイオンの拡散を阻害することや(ii)スピネル相と岩塩相の二相界面における局所ひずみが引き起こす活物質の破壊が劣化の要因として考えられた.そこで,二相共存反応を回避したMgイオンの挿入を可能にする方策として,これまでは化学量論組成のスピネル型酸化物AB2O4に着目していた一方で,八面体サイトにカチオン欠損を有する欠陥スピネル型酸化物ABO3の利用を着想した.さらにこれまでの研究で構築したカチオン選択の指針に従って組成を定め,有望な材料としてZnMnO3に着目して詳細な調査を行った.その結果,従来の化学量論組成のスピネル型酸化物では10-20サイクル程度で容量の低下が見られる一方で,欠陥スピネル型酸化物ZnMnO3では主に単相反応で充放電が進行し,約100 mAh/gの比較的高い容量と2.5 V程度(Mg基準)の高い電位を保ちながら100サイクルを超える高サイクル特性が得られることが明らかとなった.以上から,高エネルギー密度と高サイクル特性を両立するスピネル型酸化物の設計指針として,欠陥スピネル型構造に着目した単相反応の利用が有効であることを示した.

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2020 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Spinel-rocksalt transition as a key cathode reaction toward high-energy-density magnesium rechargeable batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Shimokawa Kohei, Ichitsubo Tetsu
    • 雑誌名

      Current Opinion in Electrochemistry

      巻: 21 ページ: 93-99

    • DOI

      10.1016/j.coelec.2020.01.017

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Zinc-based spinel cathode materials for magnesium rechargeable batteries: toward the reversible spinel-rocksalt transition2019

    • 著者名/発表者名
      Shimokawa Kohei, Atsumi Taruto, Harada Maho, Ward Robyn E., Nakayama Masanobu, Kumagai Yu, Oba Fumiyasu, Okamoto Norihiko L., Kanamura Kiyoshi, Ichitsubo Tetsu
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 7 号: 19 ページ: 12225-12235

    • DOI

      10.1039/c9ta02281c

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrochemical phase transformation accompanied with Mg extraction and insertion in a spinel MgMn2O4 cathode material2019

    • 著者名/発表者名
      Hatakeyama Takuya, Okamoto Norihiko L., Shimokawa Kohei, Li Hongyi, Nakao Aiko, Uchimoto Yoshiharu, Tanimura Hiroshi, Kawaguchi Tomoya, Ichitsubo Tetsu
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 21 号: 42 ページ: 23749-23757

    • DOI

      10.1039/c9cp04461b

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Feasible transformation of MgCo2O4 from spinel to defect rocksalt structure under electron irradiation2019

    • 著者名/発表者名
      Norihiko L. Okamoto, Kohei Shimokawa, Hiroshi Tanimura, Tetsu Ichitsubo
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 167 ページ: 26-30

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2019.03.034

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Solvation-Structure Modification by Concentrating Mg(TFSA)2-MgCl2-Triglyme Ternary Electrolyte2018

    • 著者名/発表者名
      Kohei Shimokawa, Hajime Matsumoto, Tetsu Ichitsubo
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 9 号: 16 ページ: 4731-4737

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.8b02209

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ロッキングチェア型Mg-Liデュアルソルト蓄電池開発に向けて2017

    • 著者名/発表者名
      市坪 哲,李 弘毅,下川 航平,八木 俊介
    • 雑誌名

      電池技術

      巻: 29 ページ: 150-159

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 欠陥スピネル型構造に着目した高サイクル特性を有する新規Mg蓄電池正極材料の開発2020

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,河口 智也,谷村 洋,岡本 範彦,市坪 哲
    • 学会等名
      電気化学会第87回大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Design Guidelines for Spinel Cathode Materials Undergoing Spinel-Rocksalt Transition in Magnesium Rechargeable Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      K. Shimokawa, M. Nakayama, Y. Kumagai, F. Oba, N. L. Okamoto, K. Kanamura, T. Ichitsubo
    • 学会等名
      Energy Storage and Industry 4.0
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Zn-based Spinel-Oxide Materials Showing Reversible Spinel-Rocksalt Transition for High-Energy-Density Magnesium Rechargeable Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      K. Shimokawa, M. Nakayama, Y. Kumagai, F. Oba, N. L. Okamoto, K. Kanamura, T. Ichitsubo
    • 学会等名
      70th Annual Meeting of ISE
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高サイクル特性と高エネルギー密度を両立するMg蓄電池用スピネル型正極材料の開発2019

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,岡本 範彦,市坪 哲
    • 学会等名
      第15回 固体イオニクスセミナー
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高性能Mg蓄電池を目指したスピネル型酸化物正極の設計指針の構築2019

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,中山 将伸,熊谷 悠,大場 史康,岡本 範彦,金村 聖志,市坪 哲
    • 学会等名
      日本金属学会 2019年秋期大会(第165回)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 欠陥スピネル型酸化物に着目した新規Mg蓄電池正極材料の開発2019

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,河口 智也,谷村 洋,岡本 範彦,市坪 哲
    • 学会等名
      第45回 固体イオニクス討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Mg(TFSA)2-MgCl2/Triglyme電解液の溶媒和構造制御によるMg金属アノード溶解特性の向上2019

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,松本 一,市坪 哲
    • 学会等名
      電気化学会 第86回大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] スピネル型MgMn2O4における電気化学的Mg挿入脱離2019

    • 著者名/発表者名
      畠山 拓也,下川 航平,李 弘毅,中尾 愛子,内本 喜晴,岡本 範彦,市坪 哲
    • 学会等名
      電気化学会 第86回大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Highly Concentrated Mg(TFSA)2-MgCl2-Triglyme Electrolytes Toward High Potential Mg Rechargeable Batteries2018

    • 著者名/発表者名
      K. Shimokawa, H. Matsumoto and T. Ichitsubo
    • 学会等名
      AiMES2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] スピネル型酸化物を用いた中温作動型マグネシウム蓄電池の開発2018

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,金村 聖志,市坪 哲
    • 学会等名
      日本金属学会 2018年秋期大会(第163回)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] スピネル型酸化物正極を用いた高エネルギー密度マグネシウム蓄電池の開発2018

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,市坪 哲
    • 学会等名
      第14回 固体イオニクスセミナー
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Mg蓄電池正極MgMn2O4からの電気化学的Mg脱離2018

    • 著者名/発表者名
      畠山 拓也,下川 航平,李 弘毅,内本 喜晴,岡本 範彦,市坪 哲
    • 学会等名
      日本金属学会 2018年秋期大会(第163回)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Feasibility of Electrochemical Mg extraction from MgMn2O4 Cathodes for Mg Rechargeable Batteries2018

    • 著者名/発表者名
      T. Hatakeyama, K. Shimokawa, H. Li, A. Nakao, Y. Uchimoto, N. L. Okamoto, T. Ichitsubo
    • 学会等名
      AiMES2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnesium-Free Spinel Oxides for Cathode Materials of Magnesium Rechargeable Batteries2017

    • 著者名/発表者名
      K. Shimokawa, T. Kawaguchi, Y. Kumagai, F. Oba, S. Yagi, and T. Ichitsubo
    • 学会等名
      232nd ECS meeting
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ロッキングチェア型Li-Mgデュアルソルト蓄電池の研究2017

    • 著者名/発表者名
      市坪 哲,李 弘毅,下川 航平,八木 俊介
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第30回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 水熱法を用いたマグネシウム二次電池用正極材料ZnCo2O4の合成と電気化学特性評価2017

    • 著者名/発表者名
      紺谷 昌司,万代 俊彦 ,下川 航平,市坪 哲,金村 聖志
    • 学会等名
      電気化学会第85回大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Investigation into possible positive-electrode active materials for magnesium batteries2017

    • 著者名/発表者名
      J. Han, S. Yagi, K. Shimokawa, T. Ichitsubo
    • 学会等名
      RMW13
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 中温作動型マグネシウム蓄電池の開発を目指した新規三元系溶媒和イオン液体の研究2017

    • 著者名/発表者名
      下川 航平,市坪 哲
    • 学会等名
      第134回金属材料研究所講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [産業財産権] 非水電解質二次電池および非水電解質二次電池用の正極活物質2019

    • 発明者名
      市坪 哲,下川 航平
    • 権利者名
      市坪 哲,下川 航平
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2019-155969
    • 出願年月日
      2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [産業財産権] 非水電解質二次電池、非水電解質二次電池用の正極活物質およびその製造方法2019

    • 発明者名
      市坪 哲,下川 航平,古橋 卓弥
    • 権利者名
      市坪 哲,下川 航平,古橋 卓弥
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2019-223831
    • 出願年月日
      2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

URL: 

公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi