４ボルト級ナトリウムイオン電池を実現する層状マンガン系酸化物の研究

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04225
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 駒場 慎一 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (20302052)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: ナトリウムイオン電池

研究実績の概要

当研究室では，ナトリウムイオン電池の材料研究を通して，希少かつ毒性元素を不要とする新型二次電池の実現を目指し，その全電池作動を世界に先駆けて実証し，現在も電極活物質や電解質に適用できる新材料の開発により電池の高性能化を目指した研究を進めている．本研究では４ボルト級の電池作動を目指して，正極活物質の研究を行った．
これまでもP2型層状構造を有するニッケル・マンガン複合層状酸化物で４ボルト作動を実証してるが，充放電寿命が短いことが問題であった．そこで，寿命を改善するために，ニッケルサイトの一部をアルミニウムやチタンで部分置換した．その結果，電池充放電中の結晶構造の体積変化が抑制されて，電池寿命が改善できることが分かった．この材料の詳細な電気化学特性と構造変化の相関を解明した上で，さらなる材料の最適化を進めた．またマンガンだけでなく，すべての３ｄ元素を対象として合成および電気化学測定も行い，各種ナトリウム・マンガン層状酸化物との比較検討を行って総説論文を発表した．
また，既に４ボルト以上の高電圧領域で，正極表面の状態，とりわけバインダーが果たす役割が重要であるこを報告しているが，さらに用いる有機電解液の成分や濃度が重要であり，これらが電極表面において電気化学反応によって生成する表面被膜の構造に大きな影響を及ぼすことを見出した．
今年度は，最終年度であったため以上を統括して，４ボルト級の標記電池の安定作動を実現する層状マンガン系酸化物材料の研究から，炭素材料や機能性バインダーの役割と重要性を合わせてしめした．今後も，標記材料の研究を発展させつつ，関連する電池材料，さらにはイオンキャリヤをカリウムに置き換えた新奇な電池，また実用化されているリチウムイオン電池の高性能化研究に展開した．

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ソルボンヌ大学(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ソルボンヌ大学
• [国際共同研究] イエーナ大学/カールスルーエ工科大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: イエーナ大学/カールスルーエ工科大学
• [雑誌論文] Optimizing Micrometer-Sized Sn Powder Composite Electrodes for Sodium-Ion Batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: FUKUNISHI Mika、HORIBA Tatsuo、DAHBI Mouad、KUBOTA Kei、YASUNO Satoshi、KOMABA Shinichi
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 87 ページ: 70～77
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.18-00069
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] States of thermochemically or electrochemically synthesized NaxPy compounds analyzed by solid state 23Na and 31P nuclear magnetic resonance with theoretical calculation (2019)
  • 著者名/発表者名: Morita Ryohei、Gotoh Kazuma、Dahbi Mouad、Kubota Kei、Komaba Shinichi、Tokiwa Kazuyasu、Arabnejad Saeid、Yamashita Koichi、Deguchi Kenzo、Ohki Shinobu、Shimizu Tadashi、Laskowski Robert、Ishida Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 413 ページ: 418～424
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.12.070
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Correlation of carbonization condition with metallic property of sodium clusters formed in hard carbon studied using 23Na nuclear magnetic resonance (2019)
  • 著者名/発表者名: Morita Ryohei、Gotoh Kazuma、Kubota Kei、Komaba Shinichi、Hashi Kenjiro、Shimizu Tadashi、Ishida Hiroyuki
  • 雑誌名: Carbon 巻: 145 ページ: 712～715
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2019.01.080
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hard carbons for sodium-ion batteries: Structure, analysis, sustainability, and electrochemistry (2019)
  • 著者名/発表者名: Dou Xinwei、Hasa Ivana、Saurel Damien、Vaalma Christoph、Wu Liming、Buchholz Daniel、Bresser Dominic、Komaba Shinichi、Passerini Stefano
  • 雑誌名: Materials Today 巻: 23 ページ: 87～104
  • DOI: 10.1016/j.mattod.2018.12.040
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electrochemistry and Solid-State Chemistry of NaMeO2 (Me = 3d Transition Metals) (2018)
  • 著者名/発表者名: Kubota Kei、Kumakura Shinichi、Yoda Yusuke、Kuroki Kazutoshi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 8 ページ: 1703415～1703415
  • DOI: 10.1002/aenm.201703415
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hard carbons issued from date palm as efficient anode materials for sodium-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Izanzar Ilyasse、Dahbi Mouad、Kiso Manami、Doubaji Siham、Komaba Shinichi、Saadoune Ismael
  • 雑誌名: Carbon 巻: 137 ページ: 165～173
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2018.05.032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Insights into Li+, Na+, and K+ Intercalation in Lepidocrocite-Type Layered TiO2 Structures (2018)
  • 著者名/発表者名: Reeves Kyle G.、Ma Jiwei、Fukunishi Mika、Salanne Mathieu、Komaba Shinichi、Dambournet Damien
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 1 ページ: 2078～2086
  • DOI: 10.1021/acsaem.8b00170
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis and Electrochemical Performance of C-Base-Centered Lepidocrocite-like Titanates for Na-Ion Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Katogi Akihiro、Kubota Kei、Chihara Kuniko、Miyamoto Koji、Hasegawa Tatsuya、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 1 ページ: 3630～3635
  • DOI: 10.1021/acsaem.8b00345
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesizing higher-capacity hard-carbons from cellulose for Na- and K-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hijiri、Muratsubaki Shotaro、Kubota Kei、Fukunishi Mika、Watanabe Hiromu、Kim Jungmin、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 6 ページ: 16844～16848
  • DOI: 10.1039/c8ta05203d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] NaMeO2 for Na-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba
  • 学会等名: ICNaB 2018; 5th International Conference on Sodium Batteries
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Towards Na-ion and K-ion batteries besides Li-ion (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba
  • 学会等名: XV International Conference on “Topical problems of energy conversion in lithium electrochemical systems”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Carbon electrodes for Li-, Na-, and K-ion batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Kei Kubota, Shotaro Muratsubaki, Hiroo Onuma
  • 学会等名: CMCEE 2018 (12th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京理科大学 駒場研究室
  • URL: https://www.rs.kagu.tus.ac.jp/komaba/