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精密に価数制御したバナジン酸塩ガラスを正極に用いたNaイオン電池の高性能化

研究課題

研究課題/領域番号 23K26763
補助金の研究課題番号 23H02070 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分36020:エネルギー関連化学
研究機関東京都立大学

研究代表者

久冨木 志郎  東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (90321489)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2025年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2024年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2023年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
キーワードNaイオン電池 / 導電性ガラス / メスバウアー分光法 / XAFS / Na電池正極材 / XAFS法 / 正極活物質 / バナジン酸塩ガラス / X線吸収分光法
研究開始時の研究の概要

本課題では、バナジン酸ナトリウムガラス(Na2O-V2O5-P2O5-SnO2-Fe2O3系)をNaイオン電池正極材として用いる。充放電容量が最大となり、高い容量、具体的には質量エネルギー密度500 Wh/gに匹敵するガラスの化学組成(特に価数の異なるバナジウムイオンの割合)、およびガラス中の原子間の結合強度や空孔のサイズや量等の構造を特定する。

研究実績の概要

本課題では、質量エネルギー密度の理論値500 Wh/kgに匹敵する、ナトリウム(Na)イオン電池の正極材の高性能化に挑戦している。研究期間初年度の2023年度は、研究実施計画にしたがい、溶融急冷法により、Na2O-V2O5-P2O5-Fe2O3系、Na2O-V2O5-P2O5-SnO2系の二系統の導電性バナジン酸塩ガラスを作成し、それぞれのガラス系について、Naイオン電池正極特性、電気伝導度と、ガラス構造の相関を調査した。その結果、Na2O-V2O5-P2O5-Fe2O3系については、Naイオン電池正極材として高い性能を示すガラスの組成の特定ができた(詳細は現在までの進捗状況に示す)。また、Na2O-V2O5-P2O5-SnO2系についても、同様に高い性能を示すガラス組成を見出している。2023年度の研究成果は、J. Alloys and Compounds他、5報の学術論文誌に掲載され、国際学会で7件、国内学会で5件、発表された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究期間初年度の2023年度は、Na電池正極材として最高の性能を持つ、バナジン酸塩ガラスの化学組成の特定を目標とした。その結果、Na2O-V2O5-P2O5-Fe2O3および、Na2O-V2O5-P2O5-SnO2系において、調査を行ったところ、Na2Oは10~20 mol%、V2O5は65~85 mol%、P2O5は5~10 mol%、Fe2O3(あるいSnO2)は5~10 mol%含まれると、5 mA/gの電流密度において150-200 mAh/gの高い正極特性を示すことが明らかになった。以上の結果より、高いNa電池正極特性を示すバナジン酸塩ガラスの組成がおおむね特定できており、当初の目的が果たせていることから、研究はおおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

研究期間2年度目となる2024年度は、昨年度、化学組成を特定できた、高いNa電池正極特性を示すバナジン酸塩ガラスを、溶融法ではなく、ゾルゲル法で作成し、三次元ボールミリング処理を施すことで、高性能化することを目論む。基本的な化学組成であるV2O5-P2O5系や、SnO2-P2O5系のガラスについてはすでに、2023年度の段階でゾルゲル法での合成に成功しており、電気特性、比表面積測定、Naイオン電池正極特性評価に着手している。ゾルゲル法での合成は試料中に有機物が残留することから、適正な熱処理条件を特定することが重要となる。また、上述したV2O5-P2O5系や、SnO2-P2O5系ガラスはNa, Li等のアルカリイオンを取り込むと安定化するという報告もあることより、溶融法で特定できたガラス組成の周辺についても、組成探索を継続する必要があるものと考えられる。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2023 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] エトボシュローランド大学/ウィグナー物理リサーチセンター(ハンガリー)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] ルジェルボスコヴィッチ研究所(クロアチア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] シェフィールドハラム大学(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] 大連化学物理研究所(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Enhancement of electrical conductivity and thermal stability of Iron- or Tin- substituted vanadate glass and glass-ceramics nanocomposite to be applied as a high-performance cathode active material in sodium-ion batteries2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ibrahim, K. Kubo, S. Watanabe, S. Shiba, I. Khan, B. Zhang, Z. Homonnay, E. Kuzmann, L. Pavic, A. Santic, Ahmed S. Ali, M. Y. Hassaan, S. Kubuki,
    • 雑誌名

      J. Alloys. Compnds.

      巻: 930 ページ: 167366-167366

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2022.167366

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Impact of adding Fe ions on the local structure and electrochemical performances of P2O5-V2O5 glass and glass ceramics used as a cathode in LIBs2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ibrahim, Y. Arita, A. S. Ali, I. Khan, B. Zhang, L. Pavic, A. Santic, Z. Homonnay, E. Kuzmann, M. Y. Hassaan, J. Wang, S. Kubuki
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. Solids

      巻: 179 ページ: 111391-111391

    • DOI

      10.1016/j.jpcs.2023.111391

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural and electrochemical properties of Na2O-V2O5 ceramics with Na0.33V2O5 precipitation as an active cathode material for Na-ion battery with a high capacity2023

    • 著者名/発表者名
      S. Watanabe, A. Ibrahim, L. Pavic, A. Santic, M. Y. Hassaan, Z. Homonnay, E. Kuzmann, S. Kubuki
    • 雑誌名

      Crystals

      巻: 13 号: 10 ページ: 1521-1521

    • DOI

      10.3390/cryst13101521

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Debye Temperature Evaluation for Secondary Battery Cathode of α-SnxFe1-xOOH Nanoparticles Derived from the 57Fe- and 119Sn-Mossbauer Spectra2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ibrahim, K. Tani, K. Hashi, B. Zhang, Z. Homonnay, E. Kuzmann, A. Bafti, L. Pavic, S. Krehula, M. Marcius, S. Kubuki
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Science

      巻: 25 号: 5 ページ: 2488-2488

    • DOI

      10.3390/ijms25052488

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photocatalytic and Cathode Active Abilities of Ni-Substituted α-FeOOH Nanoparticles2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ibrahim, M. Shiraishi, Z. Homonnay, S. Krehula, M. Marcius, A. Bafti,L. Pavic, S. Kubuki,
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Science

      巻: 241 号: 18 ページ: 14300-14300

    • DOI

      10.3390/ijms241814300

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Highly covalent FeIII-O bond in iron oxide nanoparticles of domestic waste molten slag characterized by 57Fe Mossbauer spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      A. S. Ali, I. Khan, B. Zhang, Z. Homonnay, E. Kuzmann, S. Krehula, M. Marcius, L. Pavic, A. Santic, S. Kubuki
    • 学会等名
      Colloquim Spectroscpia Internationale XLIII and The 5th Asian Symposium on Laser Induced Breakdown Spectroscopy (CSI XLIII / ASLIBS 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Influence of Sn doping on the properties of Iron Oxide Nanoparticles and their Application in Photocatalysis2023

    • 著者名/発表者名
      S. Krehula, N. Popov, M. Ristic, L. K. Krehula, M. Perovic, M. Boskovic, D. Stankovic, S. Kubuki and S. Music
    • 学会等名
      TMU International Symposium on the Materials Science and the Characterization by Radiochemical Methods
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mossbauer Spectroscopy of Iron- or Tin -substituted Vanadate Glass and Glass-Ceramics as a Cathde Material Active in SIBs2023

    • 著者名/発表者名
      5.A. Ibrahim, Z. Homonnay, E. Kuzmann, L. Pavic, M. Hassaan, S. Kubuki
    • 学会等名
      TMU International Symposium on the Materials Science and the Characterization by Radiochemical Methods
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural Analysis of Fe2O3-V2O5-P2O5 Glass and Glass-Ceramics as a Cathode Material for Seconadry Batteries2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Arita, A. Ibrahim, Z. Homonnay, E. Kuzmann, S. Krehula, M. Marcius, L. Pavic, A. Santic, S. Kubuki
    • 学会等名
      TMU International Symposium on the Materials Science and the Characterization by Radiochemical Methods
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mossbauer Spectroscopy of Iron-or Tin- Substituted Vanadate Glass and Glass-Ceramics as a Cathode active Material in SIBs2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ibrahim, K. Kubo, S. Watanabe, I. Khan, B. Zhang, Z. Homonnay, E. Kuzmann, L. Pavic, A. Santic, A. S. Ali, M.Y. Hassaan, and S. Kubuki
    • 学会等名
      International Conference on the Application of the Mossbauer Effect (ICAME2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photocatalytic and Cathode Active Abilities of Nickel Substituted Goethite Nnanopartilces Characterized by 57Fe-Mossbauer Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      M. Shiraishi, A. Ibrahim, Z. Homonnay, E. Kuzmann, S. Krehula, M. Marcius, L. Pavic, A. Santic, and S. Kubuki
    • 学会等名
      International Conference on the Application of the Mossbauer Effect (ICAME2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photocatalytic Ability of Iron Oxide Nanoparticles Precipitated in Iron Silicate Glass Characterized by 57Fe-Mossbauer Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kubuki
    • 学会等名
      Seminar in MTA Kozponti Fizikai Kutatointezet(KFKI)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mossbauer Spectroscopy of Iron-or Tin- Substituted Vanadate Glass and Glass-Ceramics as a Cathode Material active in SIBs2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ibrahim, K. Kubo, S. Watanabe, S. Shiba, I. Khan, B. Zhang, S. Kubuki, Z. Homonnay, E. Kuzmann, L. Pavic, A. Santic, A. S. Ali, M.Y. Hassaan
    • 学会等名
      第22回メスバウアー分光研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ゾルゲル法により作製したホスホバナジン酸塩ガラスの Na イオン電池正極材としての応用2023

    • 著者名/発表者名
      久保光輝,久冨木志郎,秋山和彦
    • 学会等名
      第22回メスバウアー分光研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fe2O3-V2O5-P2O5ガラスセラミックスを正極材とする二次電池の評価2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Arita, A. Ibrahim, S. Kubuki, K. Akiyama, Z. Homonnay, E. Kuzmann
    • 学会等名
      第22回メスバウアー分光研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ニッケルを含むゲーサイトナノ粒子の利用2023

    • 著者名/発表者名
      M. Shiraishi, B. Zhang, K. Irfan, S. Kubuki, Z. Homonnay, E. Kuzmann, M. Marcius, S. Krehula
    • 学会等名
      第22回メスバウアー分光研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] バナジウムをドープしたα-FeOOH ナノ粒子の構造解析と光触媒活性評価2023

    • 著者名/発表者名
      R. Tsuchigauchi, Z. Homonnay, E. Kuzmann, M. Marcius, S. Krehula, S. Kubuki
    • 学会等名
      第22回メスバウアー分光研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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