| 研究課題/領域番号 |
23KJ0214
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分36020:エネルギー関連化学
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
飯村 玲於奈 東北大学, 環境科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,000千円 (直接経費: 3,000千円)
2025年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2024年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2023年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
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| キーワード | マグネシウム電池 / 正極材料 / ナノ粒子 / 界面制御 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では安価で高い安全性、高エネルギー密度を有し、ポストLiイオン電池と期待されるマグネシウム蓄電池の正極材料開発を研究対象としている。現在までに室温で繰り返し使える正極材料は報告されておらず、これは正極材料が電解液の分解を引き起こす触媒として働くことによる。そこで本研究では、種々の酸化物を正極材料にナノオーダーでコートし、電解液の分解抑制を行い、室温で高電位・高放電容量・高サイクル性をクリアする高性能正極材料を開発する。また、実験と計算を組み合わせ、電解液分解の抑制メカニズム解明を目指す。さらに、炭素材料との複合化や粒子形態制御を施すことで短時間で充放電が可能な高出力材料開発に挑む。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、室温動作型マグネシウム蓄電池正極の高性能化に向けて高電位作動・高放電容量・高サイクル性をクリアする材料開発を目指している。高出力化に向けた研究では、アルコールを用いた新規溶液プロセスにより10nm以下の一次粒子を持ったα-MnO2の開発に成功し、従来の材料と比べて、室温で高電位かつ高容量を示すことがわかった。これは、極小ナノ粒子化により、固体内を移動するMgイオンの距離が大幅に減少したため、室温でも十分に動作するようになったためである。しかしながら、正極/電解液界面で電解液の酸化・還元分解などの副反応が起こることや、Mgイオンがトンネル構造内にトラップされることで充電過程でのMgイオン脱離反応が進行しにくいという影響があり、サイクル特性は約10サイクルにとどまることが明らかになった。
今年度後期には、α-MnO2の結晶学的可逆性における課題を踏まえて、より堅固な構造を持つ正六角形のトンネル構造を有するh-MoO3という材料に着目した。そして、ボールミルを用いたトップダウン方式のナノ粒子化操作を経て、正極動作試験を行ったところ高いサイクル特性を示すことが明らかとなった。さらに、充放電前後の正極結晶構造解析より、Mgイオンの脱挿入反応に伴い、正極の結晶構造が可逆的に変化していることがわかった。
以上の研究によりでは高出力化と高サイクル特性を持つ材料を独立して開発することに成功し、本研究の目指す高性能正極材料の開発に向けて大きく前進したと言える。
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| 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
当初の予定通り、室温で高出力化と高サイクル特性を示す材料群の探索に成功しており、酸化物を用いた高性能Mg電池正極材料開発に向けた要素技術を蓄えることができているため。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き高出力化と高サイクル特性を示す材料群の探索を進めつつ、溶液プロセスを用いてそれらの材料を使った正極界面制御を行うことで高性能正極材料の開発を目指す。さらに、放射光実験や第一原理計算を用いた構造解析により正極材料の動作原理を明らかにする。
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