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ハイドレートメルト電解液の安定化機構に関する理論的研究

研究課題

研究課題/領域番号 18J14097
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 デバイス関連化学
研究機関東京大学

研究代表者

宮崎 かすみ  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワードリチウムイオン電池 / ハイドレートメルト電解液 / ナトリウムイオン電池 / カリウムイオン電池 / SEI膜 / Liイオン二次電池
研究実績の概要

本研究では、リチウムイオン電池の安全性向上・低コスト化を可能にするアプローチとして有望な水系電解液を対象とした。中でも、リチウム塩と水をモル比1:2の高濃度で溶解した、ハイドレートメルト電解液は、従来の水系電解液と比較して電位変動に対して非常に安定であり、高性能な水系二次電池開発への応用が期待されている。そこで、その高い電気化学的安定性の起源を解明するため、第一原理分子動力学計算を用いた理論的解析を実施した。得られた溶液構造に対して水素結合解析を行ったところ、バルク水中では、水素結合数が1分子当たり3.58に対し、ハイドレートメルト電解液中では0.52と大幅に減少しており、代わりに、Liカチオンとのイオン結合とアニオンとの水素結合へ置き換わっていることが分かった。さらに、電子構造解析により、水分子の最低非占有軌道(LUMO)は、アニオンよりも高い準位であり、アニオンの還元分解が優先的に生じることが示唆された。この起源としては、イオンに囲まれて孤立した水分子の割合の増加したことと、高濃度化によりカチオンとアニオンの配位が増加したこと、の2つの寄与が考えられる。従って、ハイドレートメルト電解液では、特異的構造の形成に伴う電子状態の変調により、高い電気化学的安定性が発現するものと考えられる。
さらに、本研究室で新たに開発された、Na及びK塩のハイドレートメルト電解液についても、半経験的分子動力学計算を用いた大規模(3000原子程度)溶液構造解析を行い、水同士の水素結合ネットワークが寸断され、希薄溶液とは異なる溶液構造を持つことを明らかにした。
以上の結果から、高濃水系電解液であるハイドレートメルト電解液では、高濃度化に伴う溶液構造、特に水同士の水素結合ネットワーク構造の大幅な変調が電気化学的安定性への鍵であることが示唆された。

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

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] First-Principles Study on the Peculiar Water Environment in a Hydrate-Melt Electrolyte2019

    • 著者名/発表者名
      Miyazaki Kasumi、Takenaka Norio、Watanabe Eriko、Iizuka Shota、Yamada Yuki、Tateyama Yoshitaka、Yamada Atsuo
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 10 号: 20 ページ: 6301-6305

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.9b02207

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Lithium-salt monohydrate melt: A stable electrolyte for aqueous lithium-ion batteries2019

    • 著者名/発表者名
      Ko Seongjae、Yamada Yuki、Miyazaki Kasumi、Shimada Tatau、Watanabe Eriko、Tateyama Yoshitaka、Kamiya Takeshi、Honda Tsunetoshi、Akikusa Jun、Yamada Atsuo
    • 雑誌名

      Electrochemistry Communications

      巻: 104 ページ: 106488-106488

    • DOI

      10.1016/j.elecom.2019.106488

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Sodium‐ and Potassium‐Hydrate Melts Containing Asymmetric Imide Anions for High‐Voltage Aqueous Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      Zheng Qifeng、Miura Shota、Miyazaki Kasumi、Ko Seongjae、Watanabe Eriko、Okoshi Masaki、Chou Chien‐Pin、Nishimura Yoshifumi、Nakai Hiromi、Kamiya Takeshi、Honda Tsunetoshi、Akikusa Jun、Yamada Yuki、Yamada Atsuo
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 58 号: 40 ページ: 14202-14207

    • DOI

      10.1002/anie.201908830

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Impact of Cis- versus Trans- Configuration of Butylene Carbonate Electrolyte on Microscopic Solid Electrolyte Interphase Formation Processes in Lithium-Ion Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      Miyazaki Kasumi、Takenaka Norio、Fujie Takuya、Watanabe Eriko、Yamada Yuki、Yamada Atsuo、Nagaoka Masataka
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 印刷中 号: 17 ページ: 15623-15629

    • DOI

      10.1021/acsami.9b02416

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] ハイドレートメルト電解液における特異的溶液構造の理論的解明2019

    • 著者名/発表者名
      宮崎かすみ, 竹中規雄, 渡部絵里子, 飯塚将太, 山田裕貴, 館山佳尚, 山田淳夫
    • 学会等名
      第13回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Unraveling the SEI Mystery of Cis/Trans-Butylene Carbonate2019

    • 著者名/発表者名
      Kasumi Miyazaki, Norio Takenaka, Takuya Fujie, Eriko Watanabe, Yuki Yamada, Atsuo Yamada, Masataka Nagaoka
    • 学会等名
      International Battery Association 2019 (IBA 2019)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] trans/cisブチレンカーボネート電解液中で形成されるSEI膜の相違とその微視的起源2018

    • 著者名/発表者名
      宮﨑かすみ, 竹中規雄, 藤江拓哉, 渡部絵里子, 山田裕貴, 山田淳夫, 長岡正隆
    • 学会等名
      第21回理論化学討論会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] カーボネート電解液中で形成されるSEI膜に対する溶媒和相互作用の影響2018

    • 著者名/発表者名
      宮崎 かすみ, 竹中 規雄, 藤江 拓哉, 渡部 絵里子, 山田 裕貴, 山田 淳夫, 長岡正隆
    • 学会等名
      第59回電池討論会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Microscopic Origin of the SEI Formation Difference Between in Cis- and in Trans-2,3-Butylene Carbonate Based Electrolyte2018

    • 著者名/発表者名
      Kasumi Miyazaki, Norio Takenaka, Takuya Fujie, Eriko Watanabe, Yuki Yamada, Atsuo Yamada, Masataka Nagaoka
    • 学会等名
      The 19th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB 2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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