高容量／高速充放電ナトリウムイオン電池を実現する負極炭素構造の解明

• 研究課題/領域番号: 17K06017
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 無機工業材料
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 後藤 和馬 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (20385975)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2020年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: ナトリウムイオン電池 / 炭素 / ハードカーボン / 黒鉛層間化合物 / 固体NMR / 炭素材料 / 固体核磁気共鳴 / 負極 / グライム / クラウンエーテル / 核磁気共鳴 / 無機工業化学

研究成果の概要

本研究はナトリウムイオン電池において負極炭素の容量向上の鍵を握る内部空間でのナトリウムイオンの吸蔵挙動を明らかにすること、高速充放電電池を実現可能なアルカリ金属－有機分子共挿入系黒鉛電極内の分子とイオンの挙動を明らかにすることを目的として、固体核磁気共鳴（NMR）法を用いた解析を行った。
炭素負極内の内部空間サイズが拡大すると細孔内に形成される擬金属Naクラスターのサイズも拡大し金属性が増すこと，Na―有機分子錯体の高い拡散性が高速充放電を可能にすることを示した。また、オペランドNMR分析により過充電時の負極上での金属（ナトリウム）析出過程を示し、炭素へのリチウム挿入との違いを明確化した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ナトリウムイオン電池炭素負極の高容量化には擬金属Naとして吸蔵されるナトリウムを増やすことが有効と考えられる。本研究では擬金属Naの生成と細孔サイズの関係を明らかにした。過充電時においても、ナトリウムはある程度までは炭素内部細孔に擬金属として貯蔵され、デンドライト析出を抑制するバッファーとして作用することを解明した。これらの結果は、炭素負極の高容量化や安全性評価に不可欠な情報であり、ナトリウムイオン電池実用化において学術的・社会的意義のある成果と考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Oregon State University(米国)
• [国際共同研究] Oregon State Ujniversity(米国)
• [国際共同研究] Oregon State University(米国)
• [国際共同研究] Dongguk University(韓国)
• [国際共同研究] Institute of High Performance Computing(シンガポール)
• [国際共同研究] Oregon State University(米国)
• [国際共同研究] Dongguk University-Seoul(韓国)
• [雑誌論文] MgO‐Template Synthesis of Extremely High Capacity Hard Carbon for Na‐Ion Battery (2021)
  • 著者名/発表者名: Azusa Kamiyama, Kei Kubota, Daisuke Igarashi, Yong Youn, Yoshitaka Tateyama, Hideka Ando, Kazuma Gotoh, Shinichi Komaba
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 60 号: 10 ページ: 5114-5120
  • DOI: 10.1002/anie.202013951
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vanadium diphosphide as a negative electrode material for sodium secondary batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Shubham Kaushik, Kazuhiko Matsumoto, Yuki Orikasa, Misaki Katayama, Yasuhiro Inada, Yuta Sato, Kazuma Gotoh, Hideka Ando, Rika Hagiwara
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: 483 ページ: 229182-229182
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.229182
  • 査読あり
• [雑誌論文] Na3V2O2(PO4)2F3-2 as a stable positive electrode for potassium-ion batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Kumar P. Ramesh、Kubota Kei、Miura Yusuke、Ohara Mirai、Gotoh Kazuma、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 493 ページ: 229676-229676
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229676
  • 査読あり
• [雑誌論文] 23Na solid-state NMR analyses for Na-ion batteries and materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh
  • 雑誌名: Batter. Supercaps 巻: in press 号: 8 ページ: 1267-1278
  • DOI: 10.1002/batt.202000295
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanisms for overcharging of carbon electrodes in lithium-ion/sodium-ion batteries analysed by operando solid-state NMR (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh, Tomu Yamakami, Ishin Nishimura, Hina Kometani, Hideka Ando, Kenjiro Hashi, Tadashi Shimizu, and Hiroyuki Ishida
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 8 号: 29 ページ: 14472-14481
  • DOI: 10.1039/d0ta04005c
  • NAID: 120007039932
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Analysis of Sucrose-Derived Hard Carbon and Correlation with the Electrochemical Properties for Lithium, Sodium, and Potassium Insertion (2020)
  • 著者名/発表者名: Kei Kubota, Saori Shimadzu, Naoaki Yabuuchi, Satoshi Tominaka, Soshi Shiraishi, Maria Abreu-Sepulveda, Ayyakkannu Manivannan, Kazuma Gotoh, Mika Fukunishi, Mouad Dahbi and Shinichi Komaba
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 32 号: 7 ページ: 2961-2977
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b05235
  • 査読あり / 国際共著
• [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] Negative dielectric constant of water confined in nanosheets (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Sugahara, Yasunobu Ando, Satoshi Kajiyama, Koji Yazawa, Kazuma Gotoh, Minoru Otani, Masashi Okubo, Atsuo Yamada
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: 10 ページ: 850-850
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure and dynamic behavior of Na-crown ether complex in the graphite layers studied by DFT and 1H NMR (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh, Shinya Kunimitsu, Hanyang Zhang, Michael M. Lerner, Keisuke Miyakubo, Takahiro Ueda, Hyung-Jin Kim, Young-Kyu Han, Hiroyuki Ishida
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 122 号: 20 ページ: 10963-10970
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b02965
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Surface modification effects on the tensile properties of functionalised graphene oxide epoxy films (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsuura Koji、Umahara Yuki、Gotoh Kazuma、Hoshijima Yuko、Ishida Hiroyuki
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 8 号: 18 ページ: 9677-9684
  • DOI: 10.1039/c8ra00252e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 微生物由来鞘状酸化鉄を利用した多孔質炭素材料および炭素-酸化鉄複合材料の作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Ishin、Gotoh Kazuma、Hiura Towa、Kawamura Hitomi、Hashimoto Hideki、Matsumoto Syuji、Takada Jun、Kasukabe Takatoshi、Nishihara Hirotomo、Goto Hidenori、Ohkubo Takahiro、Ishida Hiroyuki
  • 雑誌名: 炭素 巻: 2017 号: 280 ページ: 188-197
  • DOI: 10.7209/tanso.2017.188
  • NAID: 130006284850
  • ISSN: 0371-5345, 1884-5495
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Analysis of Overcharged Carbon Electrodes in Lithium ion / Sodium ion Batteries Using Solid State NMR (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh
  • 学会等名: ICEAST 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] operando NMR を用いた二次電池の金属析出メカニズムの解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 後藤和馬
  • 学会等名: 第68回固体NMR・材料フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] オペランドNMRによるNaイオン／Liイオン電池炭素電極の過充電挙動の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 後藤和馬, 山上登夢, 端健二郎, 石田祐之
  • 学会等名: 第47回炭素材料学会年会
• [学会発表] Analysis of overcharged carbon electrodes in lithium ion / sodium ion batteries using solid state NMR (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh
  • 学会等名: 7th Japanese‐German Workshop on Carbon Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体NMRを用いたナトリウムイオン電池負極材料の状態分析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤和馬
  • 学会等名: ESICB電子論検討会
• [学会発表] Operando NMR Analysis of Li Plating on Graphite and Hard Carbon Electrodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh, Ishin Nishimura, Tomu Yamakami, Hina Kometani, Hiroyuki Ishida
  • 学会等名: Carbon2019
  • 国際学会
• [学会発表] in situ NMR法を用いたBC2N負極における充放電および過充電挙動の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山上登夢, 後藤和馬, 端健二郎, 清水禎, 高田光基, 横山隆司, 大山貴志, 川口雅之, 石田祐之
  • 学会等名: 第57回炭素材料夏季セミナー
• [学会発表] 23Na MAS NMRによるスクロース由来難黒鉛化性炭素負極の吸蔵Naの状態解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鹿島小弥太，後藤和馬，豊田昌宏，石田祐之
  • 学会等名: 第57回炭素材料夏季セミナー
• [学会発表] in situ NMR法によるリチウムイオン電池炭素負極の過充電挙動の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山上登夢, 米谷雛, 後藤和馬, 端健二郎, 清水禎, 大山貴志, 石田祐之
  • 学会等名: 第58回NMR討論会
• [学会発表] 1Hおよび2H NMRによるMg共挿入エチレンジアミンの黒鉛層間での運動状態解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 橋本一樹, 後藤和馬, 水野元博, 堂ノ下将希, 北川宏, 石田祐之
  • 学会等名: 第58回NMR討論会
• [学会発表] 固体NMRによるナトリウムイオン電池の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤和馬
  • 学会等名: 2018年度第4回CPC研究会
  • 招待講演
• [学会発表] in situ NMR 測定を用いた黒鉛負極上におけるデンドライト状リチウムの析出過程の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村維心，後藤和馬，品川秀行，端健二郎，清水禎，高田光基，横山隆司，石田祐之
  • 学会等名: 第63回固体NMR・材料フォーラム
• [学会発表] in situ NMR 測定を用いた黒鉛負極上におけるデンドライト状リチウムの析出過程の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村維心，後藤和馬，品川秀行，端健二郎，清水禎，高田光基，横山隆司，石田祐之
  • 学会等名: 第56回炭素材料夏季セミナー
• [学会発表] in situ NMR 測定を用いた難黒鉛化性炭素負極上におけるデンドライト状リチウムの析出過程の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村維心，後藤和馬，品川秀行，端健二郎，清水禎，高田光基，横山隆司，石田祐之
  • 学会等名: 第64回固体NMR・材料フォーラム
• [学会発表] ジグライム/エチレンジアミンを含むピラー化黒鉛層間化合物の内部分子の運動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 国光真弥，後藤和馬，水野元博，石田祐之
  • 学会等名: 第64回固体NMR・材料フォーラム
• [学会発表] in situ NMR 測定を用いた炭素負極におけるデンドライト状リチウム挿入過程と過充電状態解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村維心，後藤和馬，品川秀行，端健二郎，清水禎，川口雅之，高田光基，横山隆司，石田祐之
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] ジグライム/エチレンジアミンを含むピラー化黒鉛層間化合物の内部分子の運動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 国光真弥，後藤和馬，水野元博，石田祐之
  • 学会等名: 第45回炭素材料学会年会
• [学会発表] 23Naおよび31P NMRを用いたナトリウムイオン二次電池リン負極の状態分析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森田凌平
  • 学会等名: 分子研研究会
  • 招待講演
• [学会発表] インターカレーション化合物のNMR解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤和馬
  • 学会等名: 第27回吸着シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] The use of solid state NMR for analyses of carbon and battery materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh
  • 学会等名: Fall Meeting of Korean Carbon Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The use of solid state NMR for analyses of negative electrode materials in NIB (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh
  • 学会等名: 4th International Conference on Sodium Batteries
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 23Na solid state NMR analysis of sodium inserted in nanopore of hard carbon anode for sodium ion battery (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Morita, Kazuma Gotoh, Mika Fukunishi, Mouad Dahbi, Kei Kubota, Shinichi Komaba, Kenzo Deguchi, Shinobu Ohki, Tadashi Shimizu, Katsuyuki Kawamura, and Hiroyuki Ishidaa
  • 学会等名: ISMAR2017
  • 国際学会
• [学会発表] 2H and 1H NMR study for dynamics of glyme and crown ethers co-intercalated with alkali metals in graphite layers (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Gotoh, Shinya Kunimitsu, Motohiro Mizuno, Tatsuya Miyatou, Michael M. Lerner, Hanyang Zhang, Keisuke Miyakubo, Takahiro Ueda, and Hiroyuki Ishida
  • 学会等名: ISMAR2017
  • 国際学会
• [学会発表] 黒鉛層間にナトリウムと共挿入されたクラウンエーテルの運動解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 国光真弥，後藤和馬，石田祐之，Michael M. Lerner
  • 学会等名: 第55回炭素材料夏季セミナー
• [学会発表] 23Naおよび31P NMRを用いたナトリウムイオン二次電池リン負極の状態分析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森田凌平，後藤和馬，Mouad Dahbi，久保田圭，駒場慎一，Saeid Arabnejad，山下晃一，石田祐之
  • 学会等名: 第62回固体NMR・材料フォーラム
• [学会発表] 還元型酸化グラフェンベース材料のナトリウムイオン電池の負極特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 楊智光，後藤和馬，石田祐之，陳 望，仁科勇太
  • 学会等名: 日本化学会中国四国支部大会
• [備考] 蓄電池過充電時の金属析出メカニズムを解明 ～発火事故を防ぐための安全性評価に貢献～
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id749.html
• [備考] 超高容量を示すナトリウムイオン電池用炭素負極材料
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id791.html