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カーボン複合材料を用いた多価イオン電池の室温動作化・高速充放電化メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 21K14711
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
研究機関東京農工大学

研究代表者

沖田 尚久  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70846625)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワード多価イオン電池 / 正極材料 / カーボン複合体 / 室温動作 / 高速充放電 / ナノ材料 / 固溶体反応 / Dual-salt電解液 / 欠陥・空孔形成
研究開始時の研究の概要

Mg、Caをキャリアイオンとする多価イオン電池は、ポストリチウムイオン電池として期待される一方で、室温で高速に充放電させることができない点が課題であった。本研究では、多価イオン電池において室温動作化・高速充放電化に成功したカーボン内包型複合体をモデルに、その要因を明らかにすることで、リチウムイオン二次電池用電極材料を多価イオン電池用電極材料に転換するための材料設計指針を得る。

研究成果の概要

マグネシウムイオン電池において室温かつ高速充放電条件(充放電時間6分)で可逆に動作可能なリン酸鉄内包型カーボン複合体およびリン酸バナジウム/カーボン複合体正極の創製に成功した。高速充放電化のためには、ナノ結晶が導電性カーボンと高分散に直接接合した正極材料と、Dual-salt電解液のようにマグネシウムイオンが正極に近づきやすい溶媒和構造を有する電解液の組合せが重要であることを明らかにした。創製した正極材料はマグネシウムイオン電池において二相共存反応ではなく固溶体反応を介して充放電が進行していることも明らかにした。このような反応挙動の変化によって、室温動作・高速充放電を実現したことが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

マグネシウムイオン電池において、困難であった室温動作および高速充放電を達成したカーボン複合体材料をモデルに、その要因を明らかにすることで、高速充放電化のための材料設計・電解液/電極界面設計の指針を得ることが可能となる。本指針はマグネシウムイオン電池やリチウムイオン電池に限らず、カルシウム、亜鉛、アルミニウムなどの様々な多価イオン電池にも展開が可能であり、それらの超高速正極の設計指針や反応挙動の知見を提供するものとして、波及効果は大きいと考えられる。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件) 学会発表 (7件)

  • [雑誌論文] Ultralong lifespan of SuperRedox Capacitor using Ti-doped Li3V2(PO4)3 cathode with suppressed vanadium dissolution2024

    • 著者名/発表者名
      Harada Yuta、Okita Naohisa、Fukuyama Masahiro、Iwama Etsuro、Naoi Wako、Naoi Katsuhiko
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 12 号: 3 ページ: 1703-1713

    • DOI

      10.1039/d3ta06240f

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast cathode characteristics of a nano-V2(PO4)3 carbon composite for rechargeable magnesium batteries2024

    • 著者名/発表者名
      Harada Yuta、Chikaoka Yu、Kasai Marina、Koizumi Kyoya、Iwama Etsuro、Okita Naohisa、Orikasa Yuki、Naoi Wako、Naoi Katsuhiko
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 12 号: 4 ページ: 2081-2092

    • DOI

      10.1039/d3ta05912j

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Strategy for Ultrafast Cathode Reaction in Magnesium-Ion Batteries Using BF<sub>4</sub> Anion Based Dual-Salt Electrolyte Systems: A Case Study of FePO<sub>4</sub>2023

    • 著者名/発表者名
      Chikaoka Yu、Nakata Naomasa、Fujii Kenta、Sawayama Saki、Ochi Riko、Iwama Etsuro、Okita Naohisa、Harada Yuta、Orikasa Yuki、Naoi Wako、Naoi Katsuhiko
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: - 号: 9 ページ: 4657-4670

    • DOI

      10.1021/acsaem.2c04182

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The origin of stability and high Co2+/3+ redox utilization for FePO4-coated LiCo0.90Ti0.05PO4/MWCNT nanocomposites for 5 V class lithium ion batteries2022

    • 著者名/発表者名
      Okita Naohisa、Iwama Etsuro、Takami Yusuke、Abo Shingo、Naoi Wako、Rozier Patrick、Simon Patrice、Reid McMahon Thomas Homer、Naoi Katsuhiko
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 12 号: 40 ページ: 26192-26200

    • DOI

      10.1039/d2ra03144b

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] nano-V2(PO4)3/カーボン複合体のマグネシウムイオン電池正極特性2023

    • 著者名/発表者名
      澁澤芽寛,原田雄太, 岩崎裕斗, 稲垣葵, 沖田尚久, 岩間悦郎, 直井和子, 直井勝彦
    • 学会等名
      第64回電池討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Li3V2(PO4)3/KB複合体のLi量最適化によるMgイオン電池正極特性の向上2023

    • 著者名/発表者名
      岩崎祐人・原田雄太・澁澤芽寛・沖田尚久・岩間悦郎・直井和子・直井勝彦
    • 学会等名
      第13回CSJ化学フェスタ2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] マグネシウムイオン電池におけるLi3V2(PO4)3/KBの正極特性2022

    • 著者名/発表者名
      笠井麻理菜、原田雄太、澁澤芽寛、沖田尚久、直井和子、直井勝彦
    • 学会等名
      第63回電池討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] マグネシウムイオン電池におけるLi3V2(PO4)3/KB複合体の正極特性2022

    • 著者名/発表者名
      澁澤芽寛、笠井麻理菜、沖田尚久、直井和子、直井勝彦
    • 学会等名
      第12回CSJ化学フェスタ2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Mgイオン二次電池用正極材料FePO4内包カーボン複合体の高速充放電特性2022

    • 著者名/発表者名
      沖田 尚久、原田 雄太、小泉 京也、笠井 麻理菜、岩間 悦郎、折笠 有基、直井 和子、直井 勝彦
    • 学会等名
      電気化学会第89回大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] KB内包型FePO4正極のMgイオン電池への応用2021

    • 著者名/発表者名
      小泉 京也、沖田 尚久、笠井 麻理菜、岩間 悦郎、折笠 有基、直井 和子、直井 勝彦
    • 学会等名
      第62回電池討論会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] マグネシウムイオン電池におけるLiFePO4/KB複合体の正極特性2021

    • 著者名/発表者名
      笠井 麻理菜、小泉 京也、沖田 尚久、折笠 有基、直井 和子、直井 勝彦
    • 学会等名
      第11回CSJ化学フェスタ2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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