カリウムイオンを電荷担体とする新規イオン液体電解質の開発

• 研究課題/領域番号: 18K14320
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分36020:エネルギー関連化学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 山本 貴之 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (30783823)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018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: イオン液体 / カリウム電池

研究成果の概要

本研究では、カリウム二次電池用新規イオン液体電解質の開発を行い、種々の電極材料との組み合わせを探索した。まず、研究代表者が既に開発したK[FSA]-[C3C1pyrr][FSA]イオン液体と比較して、K[FSA]-[C2C1im][FSA]が室温において高いイオン伝導性を持つことや、K[FTA]-[C4C1pyrr][FTA]が室温を含む広い液相温度領域を持つことを明らかにした。次に、スズやグラファイトなどの負極材料が、開発したイオン液体電解質中で良好な充放電特性を示すことを証明した。以上から、高い安全性を有するイオン液体電解質と豊富なカリウム資源を用いた新規蓄電池の実現可能性が示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来から代表研究者が開発に向けて取り組んでいるカリウム二次電池は、最近数年間で非常に注目を集めており、世界中で多くの研究が報告されている。一方で、高安全性を有するイオン液体電解質に関する報告は依然として少ない。本研究で得られた成果は、安全性と性能を兼ね備えたカリウム二次電池の実現可能性を示すものであり、学術的にも社会的にも意義のあるものと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Highly Conductive Ionic Liquid Electrolytes for Potassium-Ion Batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Yamamoto, Ryohei Matsubara, Toshiyuki Nohira
  • 雑誌名: Journal of Chemical & Engineering Data 巻: 66 号: 2 ページ: 1081-1088
  • DOI: 10.1021/acs.jced.0c00879
  • NAID: 120006960276
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative Study of M[N(SO2F)(SO2CF3)]-[N-Butyl-N-methylpyrroridinium][N(SO2F)(SO2CF3)] (M = Li, Na, K, Rb, Cs) Ionic Liquid Electrolytes (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Yamamoto, Shu Nishijima, Toshiyuki Nohira
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 号: 38 ページ: 8380-8387
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c06578
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Application of Ionic Liquid as K-Ion Electrolyte of Graphite//K2Mn[Fe(CN)6] Cell (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroo Onuma, Kei Kubota, Shotaro Muratsubaki, Tomooki Hosaka, Ryoichi Tatara, Takayuki Yamamoto, Kazuhiko Matsumoto, Toshiyuki Nohira, Rika Hagiwara, Hiroshi Oji, Satoshi Yasuno, Shinichi Komaba
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 5 号: 9 ページ: 2849-2857
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01393
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tin negative electrodes using an FSA-based ionic liquid electrolyte: improved performance of potassium secondary batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, T. Nohira
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 号: 17 ページ: 2538-2541
  • DOI: 10.1039/d0cc00209g
  • NAID: 120006960278
  • 査読あり
• [雑誌論文] Potassiation and Depotassioation Properties of Sn₄P₃ Electrode in an Ionic-Liquid Electrolyte (2019)
  • 著者名/発表者名: DOMI Yasuhiro、USUI Hiroyuki、NAKABAYASHI Eisuke、YAMAMOTO Takayuki、NOHIRA Toshiyuki、SAKAGUCHI Hiroki
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 87 号: 6 ページ: 333-335
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.19-00052
  • NAID: 130007741815
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2019-11-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] FTA系イオン液体の電解質特性評価およびアルカリ金属イオン二次電池への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西島士湧, Alisha Yadav, 山本貴之, 野平俊之
  • 学会等名: 2020年度第3回関西電気化学研究会
• [学会発表] M[FTA]-[C4C1pyrr][FTA] (M = Li, Na, K, Rb, Cs)イオン液体電解質の特性評価および二次電池への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西島士湧, 山本貴之, 野平俊之
  • 学会等名: 第52回溶融塩化学討論会
• [学会発表] Comparative Studies on Graphite and Hard Carbon Negative Electrodes for Alkali Metal-Ion Batteries Using FSA-Based Ionic Liquids (2020)
  • 著者名/発表者名: Alisha Yadav, Shu Nishijima, Takayuki Yamamoto, Toshiyuki Nohira
  • 学会等名: 238th Meeting of The Electrochemical Society (PRiME2020)
  • 国際学会
• [学会発表] FTA-Based Ionic Liquids: Promising Electrolytes for Alkali Metal-Ion Secondary Batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Shu Nishijima, Alisha Yadav, Takayuki Yamamoto, Toshiyuki Nohira
  • 学会等名: 238th Meeting of The Electrochemical Society (PRiME2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochemical Potassiation/Depotassiation Properties of Various Antimony-Based Electrodes (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Kuritani, Yasuhiro Domi, Hiroyuki Usui, Takayuki Yamamoto, Toshiyuki Nohira, Hiroki Sakaguchi
  • 学会等名: The 11th International Symposium of Advanced Energy Science
  • 国際学会
• [学会発表] Physicochemical properties of M[FTA]-[C4C1pyrr][FTA] ionic liquids (M = Li, Na, K, Rb, Cs) (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, S. Nishijima, T. Nohira
  • 学会等名: The 100th Annual Meeting of The Chemical Society of Japan
• [学会発表] アルカリ金属イオン二次電池用FTA系イオン液体電解質の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西島士湧，山本貴之，野平俊之
  • 学会等名: 電気化学会第87回大会
• [学会発表] M[FTA]-[C4C1pyrr][FTA] (M = Li, Na, K, Rb, Cs)イオン液体電解質の特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西島士湧，山本貴之，野平俊之
  • 学会等名: 第10回イオン液体討論会
• [学会発表] Charge-Discharge Properties of Sn-P Negative Electrode in an Ionic-Liquid Electrolyte for K-Ion Battery (2019)
  • 著者名/発表者名: E. Nakabayashi, Y. Domi, H. Usui, T. Yamamoto, T. Nohira, H. Sakaguchi
  • 学会等名: The 10th International Symposium of Advanced Energy Science
  • 国際学会
• [学会発表] M[FTA]-[C4C1pyrr][FSA] (M = Li, Na, K, Cs)イオン液体電解質の特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西島士湧，山本貴之，野平俊之
  • 学会等名: 第83回マテリアルズ・テーラリング研究会
• [学会発表] カリウム二次電池用FSA系イオン液体電解質中におけるスズ負極の充放電特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山本貴之，松本一彦，萩原理加，野平俊之
  • 学会等名: 電気化学会第86回大会
• [学会発表] カリウムイオン電池用FSA系イオン液体電解質の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山本貴之，松原諒平，松本一彦，萩原理加，野平俊之
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] Development of ionic liquid electrolytes for potassium-ion batteries with a wide operating temperature range (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, K. Matsumoto, R. Hagiwara, T. Nohira
  • 学会等名: The 6th Asian-Pacific Conference on Ionic Liquids & Green Processes (APCIL-6)
  • 国際学会
• [学会発表] カリウムイオン電池用K[FSA]-[C2C1im][FSA]イオン液体電解質の物性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松原諒平，山本貴之，松本一彦，萩原理加，野平俊之
  • 学会等名: 第9回イオン液体討論会
• [学会発表] K[FSA]-[C3C1pyrr][FSA]イオン液体のカリウムイオン電池用電解質としての特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本貴之，松本一彦，萩原理加，野平俊之
  • 学会等名: 第9回イオン液体討論会
• [学会発表] Physicochemical and electrochemical properties of FSA-based ionic liquid electrolytes for K-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, K. Matsumoto, R. Hagiwara, T. Nohira
  • 学会等名: 234th Meeting of The Electrochemical Society (AiMES 2018)
  • 国際学会