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2019 年度 実施状況報告書

高エネルギー密度「カリウムイオン二次電池」の創製に向けた新規電解質の開発

研究課題

研究課題/領域番号 19K15685
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

マセセ タイタス  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (70758466)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワードカリウムイオン電池 / 高電位 / 電極材料 / 正極 / 電解質 / 高エネルギー密度
研究実績の概要

カリウムイオン二次電池(Potassium-ion Battery)は資源及びコスト面での優位性のみならず、現行のリチウムイオン二次電池に匹敵する高電圧電池系が実現可能であることから、次世代大型蓄電池の現実解として有望視されている。カリウムイオン二次電池の研究開発において、我々は新規電極材料として数多くの正極化合物を合成してきた。しかし、正極化合物(Cathode materials)の高電位域・高温域での作動に適合できる電解質(Electrolyte)がない。本研究では、高エネルギー密度カリウムイオン電池の創製を目指して、正極材料に適用する安定な電解質について研究を行った。
通常の有機系電解液を正極材料と組み合わせると高電位域で分解し、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、イオン液体(Ionic liquids)とりわけピロリジニウム塩を用いた電解質に着目したところ、様々な正極材料のサイクル特性の改善に有効であることが分かった。4 Vおよび5 V級の正極材料(ポリアニオン系化合物や層状型酸化物や有機系化合物)についても新規に合成し、カリウムイオン電池の高エネルギー密度化を図った。
また、カリウムイオンの正極への挿入脱離機構の検討を進めている。高電位正極材料に適用できる安定な電解質を開発した結果、高エネルギー密度カリウムイオン電池の創製の可能が示され、フルセル構築に向けた負極材料の開発にも取り組んでいる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

4 Vおよび5 V作動の新規正極材料に適合できる電解質の開発,さらに充放電過程に伴う様々な正極材料の系統的な固体電気化学的検討が進んでおり、想定を上回る成果を得ており、知財の確保を行い、学術論文として発表している。

今後の研究の推進方策

今年度までに得られた知見を基に、高電位正極材料の充放電に伴うカリウムの挿入脱離機構を追求し、大型カチオンの安定な作動の理論構築を行う。すでに事前調査が進んでおり、一定の成果を見込んでいる。またカリウム電池のフルセルに向けて、正極材料、電解質に適用できる負極材料の検討を実施しており、4V級のカリウムイオン電池の開発を目指している。さらにカリウムイオン電池の全固体化に向けて固体電解質の開発に取り組む予定である。

次年度使用額が生じた理由

該当なし。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 4件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (10件) (うち招待講演 4件)

  • [国際共同研究] チャルマース工科大学/スウェーデン王立工科大学(スウェーデン)

    • 国名
      スウェーデン
    • 外国機関名
      チャルマース工科大学/スウェーデン王立工科大学
  • [雑誌論文] Electric Double‐Layer Capacitors Based on Non‐Aqueous Electrolytes: A Comparative Study of Potassium and Quaternary Ammonium Salts2020

    • 著者名/発表者名
      S. Uchida and T. Masese
    • 雑誌名

      Batteries & Supercapacitors

      巻: 3 ページ: 392-396

    • DOI

      10.1002/batt.201900226

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A Potential Cathode Material for Rechargeable Potassium-Ion Batteries Inducing Manganese Cation and Oxygen Anion Redox Chemistry: Potassium-Deficient K0.4Fe0.5Mn0.5O22020

    • 著者名/発表者名
      Masese Titus、Yoshii Kazuki、Tada Kohei、Kato Minami、Uchida Satoshi、Kubota Keigo、Ina Toshiaki、Okumura Toyoki、Huang Zhen-Dong、Furutani Junya、Orikasa Yuki、Senoh Hiroshi、Tanaka Shingo、Shikano Masahiro
    • 雑誌名

      Energy Technology

      巻: 1 ページ: 2000039~2000039

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/ente.202000039

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Honeycomb Layered Oxides: Structure, Energy Storage, Transport, Topology and Relevant Insights2020

    • 著者名/発表者名
      Godwill Mbiti Kanyolo, Titus Masese, Nami Matsubara, Chih-Yao Chen, Josef Rizell, Zhen-Dong Huang, Yasmine Sassa, Martin Mansson, Hajime Matsumoto, Qiang Xu
    • 雑誌名

      arXiv: [cond-mat.mtrl-sci]

      巻: 1 ページ: 1

    • DOI

      https://arxiv.org/abs/2003.03555

    • 国際共著
  • [雑誌論文] First Time Study of Magnetism and Ion Diffusion in Honeycomb Layered Oxide K2Ni2TeO6 by Muon Spin Rotation2020

    • 著者名/発表者名
      N. Matsubara, E. Nocerino, O. K. Forslund, A. Zubayer, P. Gratrex, D. Andreica, J. Sugiyama, Z. Guguchia, S. Cottrell, A. Kalaboukhov, Y. Sassa, T. Masese, M. Mansson
    • 雑誌名

      arXiv: [cond-mat.mtrl-sci]

      巻: 1 ページ: 1

    • DOI

      arXiv:2003.05805v1 [cond-mat.mtrl-sci]

    • 国際共著
  • [雑誌論文] A Heuristic Model for 3D Layered Materials with 2D Cationic Diffusion Currents from Their Honeycomb Lattice2020

    • 著者名/発表者名
      Godwill Mbiti Kanyolo, Titus Masese
    • 雑誌名

      chemRxiv

      巻: 1 ページ: 1

    • DOI

      https://doi.org/10.26434/chemrxiv.11961123

    • 国際共著
  • [雑誌論文] Sulfonylamide‐Based Ionic Liquids for High‐Voltage Potassium‐Ion Batteries with Honeycomb Layered Cathode Oxides2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshii Kazuki、Masese Titus、Kato Minami、Kubota Keigo、Senoh Hiroshi、Shikano Masahiro
    • 雑誌名

      ChemElectroChem

      巻: 6 ページ: 3901~3910

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/celc.201900689

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The materials making potassium-ion batteries possible2019

    • 著者名/発表者名
      Masese Titus
    • 雑誌名

      Research Outreach

      巻: 1 ページ: 30~33

    • DOI

      10.32907/RO-107-3033

    • オープンアクセス
  • [学会発表] Perspectives on Advancing Materials Research For Rechargeable Potassium Ion Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、吉井 一記、加藤 南、内田 悟史、窪田 啓吾、妹尾 博
    • 学会等名
      2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2),Toronto,Canada
    • 招待講演
  • [学会発表] カリウムイオン二次電池材料の開発2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、吉井 一記、加藤 南、内田 悟史、窪田 啓吾、妹尾 博
    • 学会等名
      関西支部・東海支部合同シンポジウム,神戸市有馬温泉「有馬グランドホテル」
    • 招待講演
  • [学会発表] Advancing Materials Research For Rechargeable Potassium Ion Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、吉井 一記、加藤南、内田 悟史、窪田 啓吾、妹尾 博、鹿野 昌弘
    • 学会等名
      5th Annual World Congress of Smart Materials,Rome(Italy)
    • 招待講演
  • [学会発表] Advanced Materials Chemistry for Rechargeable Potassium-Ion Battery2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、吉井 一記、加藤 南、窪田 啓吾、妹尾 博、栄部 比夏里、鹿野 昌弘
    • 学会等名
      AdvancedChemistry2019,Stockholm(Sweden)
    • 招待講演
  • [学会発表] Honeycomb Layered Cathode Frameworks for Rechargeable Potassium-Ion Battery2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、吉井 一記、加藤 南、内田 悟史、妹尾 博
    • 学会等名
      2019MRSFallMeeting,Boston(USA)
  • [学会発表] カリウムイオン二次電池用正極材料の合成、構造解析と電気化学特性2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、吉井 一記、加藤 南、内田 悟史、妹尾 博
    • 学会等名
      電気化学春季大会,山梨大学(甲府campus)
  • [学会発表] X線吸収分光法を用いたカリウムイオン二次電池用新規正極材料の反応機構解明2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、吉井 一記、加藤 南、内田 悟史、窪田 啓吾、古谷 隼也、折笠 有基、妹尾 博
    • 学会等名
      第60回電池討論会,国立京都国際会館(京都)
  • [学会発表] ハニカム構造を有するカリウム含有層状酸化物の電気化学特性、 トポロジーおよび相変化挙動2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、Josef Rizell、Godwill Kanyolo、加藤 南、内田 悟史、Zhen-DongHuang、Yasmine Sassa、妹尾 博
    • 学会等名
      2020年 電気化学会第87回大会,名古屋工業大学
  • [学会発表] ハニカム層状酸化物の固相合成2019

    • 著者名/発表者名
      Josef Rizell、マセセ タイタス、Godwill Kanyolo、Zhen-Dong Huang、妹尾 博、Yasmine Sassa
    • 学会等名
      2020年 電気化学会第87回大会,名古屋工業大学
  • [学会発表] マグネシウム二次電池の高電位リン酸フッ素系正極材料の合成2019

    • 著者名/発表者名
      マセセ タイタス、Josef Rizell、Godwill Kanyolo、Zhen-Dong Huang、Yasmine Sassa、妹尾 博
    • 学会等名
      2020年 電気化学会第87回大会,名古屋工業大学

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公開日: 2021-01-27  

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