オペランド質量分析法を用いたカリウムイオン電池劣化機構の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K14724
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 多々良 涼一 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 助教 (20876081)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 蓄電池 / 二次電池 / カリウムイオン電池 / 質量分析 / オペランド測定 / ガス分析

研究実績の概要

カリウムイオン電池は、現行の蓄電デバイスとして広く利用されているリチウムイオン電池に比べ、希少金属や有害元素を含まない電池として期待されている。しかしながらカリウムイオン電池の劣化についてはリチウムイオン電池と異なる挙動が多く、未だ劣化のメカニズムが明らかとなっていない。劣化メカニズムを解明するには電池セル内で発生する微量の分解物を検出することが必須であるが、このためには分解物を高感度で、かつ時間分解能よく検出することが求められる。質量分析法は「プールの水に一滴分の試薬」でも検出できると言われるほどの超高感度分析手法であるが、本研究では電池セルの充放電と同時に発生ガスを質量分析する「オペランド質量分析法」を用いて、カリウムイオン電池の充放電中の微量分解物を検出・分析しその劣化メカニズムを明らかにすることを目的とした。具体的には、本研究では以下の2手法を相補的に用いた。
①充放電後の電解液を取り出し、ガスクロマトグラフ質量分析にて分解物を同定する
②オペランドセルを用いた充放電同時測定により、①で同定した分解物の濃度増減を電池セル充放電中に追跡する
オペランド分析は、時間分解能を上げるために分離カラムを通さずに質量分析を行うため、化合物の同定は通常分析に比べると不得手になる。予め通常測定で分解物を同定し、その結果を元に時間分解能の高いオペランド測定を行うことで、分解物と分解条件の双方を明らかにできるものである。本研究では、分解反応として電解液溶媒であるエチレンカーボネートとジエチルカーボネートが反応し2量体・3量体が生成することを示唆する結果や、KN(SO2)2Fやジメチルスルファモイルフルオリドなど特定の添加剤が電池セル内での分解反応を抑制することを明らかにした。またリチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池の分解機構解明やカリウムイオン電池との比較にも有用であった。

研究成果

• [雑誌論文] Application of Potassium Ion Conducting KTiOPO4 as Effective Inner Solid-Contact Layer in All-Solid-State Potassium Ion-Selective Electrode (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatara Ryoichi、Ishihara Kenta、Kosugi Motohiro、Aoki Kazuma、Takei Yuko、Matsui Takahiro、Takayama Toshiharu、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Journal of The Electrochemical Society 巻: 170 ページ: 027507～027507
  • DOI: 10.1149/1945-7111/acb4bd
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of non-stoichiometry of K Fe[Fe(CN)6] as inner solid-contact layer on the potential response of all-solid-state potassium ion-selective electrodes (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatara Ryoichi、Ishihara Kenta、Hosaka Tomooki、Aoki Kazuma、Takei Yuko、Matsui Takahiro、Takayama Toshiharu、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 巻: 439 ページ: 141561～141561
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2022.141561
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sodium Diffusion in Hard Carbon Studied by Small- and Wide-Angle Neutron Scattering and Muon Spin Relaxation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohishi Kazuki、Igarashi Daisuke、Tatara Ryoichi、Kawamura Yukihiko、Hiroi Kosuke、Suzuki Jun-ichi、Umegaki Izumi、Nishimura Shoichiro、Koda Akihiro、Komaba Shinichi、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 ページ: 012048～012048
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fluorosulfonamide-type electrolyte additives for long-life K-ion batteries (2023)
  • 著者名/発表者名: Gossage Zachary T.、Hosaka Tomooki、Matsuyama Tatsuo、Tatara Ryoichi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 11 ページ: 914～925
  • DOI: 10.1039/D2TA06926A
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Application of P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 Electrode to All-Solid-State 3 V Sodium(-Ion) Polymer Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Tatara Ryoichi、Suzuki Hosei、Hamada Mizuki、Kubota Kei、Kumakura Shinichi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 126 ページ: 20226～20234
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c06360
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sulfated Alginate as an Effective Polymer Binder for High-Voltage LiNi0.5Mn1.5O4 Electrodes in Lithium-Ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Oishi Asako、Tatara Ryoichi、Togo Eiichi、Inoue Hiroshi、Yasuno Satoshi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 14 ページ: 51808～51818
  • DOI: 10.1021/acsami.2c11695
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of Cu Substitution in P′2- and P2-Type Sodium Manganese-Based Oxides (2022)
  • 著者名/発表者名: Kim Eun Jeong、Hosaka Tomooki、Kubota Kei、Tatara Ryoichi、Kumakura Shinichi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 5 ページ: 12999～13010
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c02581
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Operando Muon Spin Rotation and Relaxation Measurement on LiCoO2 Half-Cell (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohishi Kazuki、Igarashi Daisuke、Tatara Ryoichi、Umegaki Izumi、Koda Akihiro、Komaba Shinichi、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 5 ページ: 12538～12544
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c02175
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Origin of enhanced capacity retention of aqueous potassium-ion batteries using monohydrate-melt electrolyte (2022)
  • 著者名/発表者名: Hosaka Tomooki、Takahashi Rie、Kubota Kei、Tatara Ryoichi、Matsuda Yuki、Ida Kazuhiko、Kuba Kanji、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 548 ページ: 232096～232096
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.232096
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-Solid-State Potassium Polymer Batteries Enabled by the Effective Pretreatment of Potassium Metal (2022)
  • 著者名/発表者名: Hamada Mizuki、Tatara Ryoichi、Kubota Kei、Kumakura Shinichi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 7 ページ: 2244～2246
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01096
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Active material and interphase structures governing performance in sodium and potassium ion batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Kim Eun Jeong、Kumar P. Ramesh、Gossage Zachary T.、Kubota Kei、Hosaka Tomooki、Tatara Ryoichi、Komaba Shinichi
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 13 ページ: 6121～6158
  • DOI: 10.1039/D2SC00946C
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 汎用アルカリ金属をゲスト種とする炭素電極の機能開拓 (2023)
  • 著者名/発表者名: 駒場慎一，五十嵐大輔，多々良涼一，保坂知宙
  • 学会等名: 電気化学会・キャパシタ技術委員会 令和5年度第1回研究会
• [学会発表] Binder Chemistry for Si and 5-Volt Spinel Electrodes for LIB (2023)
  • 著者名/発表者名: Shogo Yamazaki, Asako Oishi, Ryoichi Tatara, and Shinichi Komaba
  • 学会等名: International Bettery Association-2023 Annual Conference (IBA 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] オペランドμ＋SRによるLiCoO2中のLiイオン拡散 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大石一城，五十嵐大輔，多々良涼一，梅垣いづみ，幸田章宏，駒場慎一，杉山純
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] リチウム塩含有深共晶液体の開発とリチウムイオン電池への適用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤奈南子，保坂知宙，川邊瑞季，多々良涼一，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] SAR系バインダーを用いたNMC正極の高電圧特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: インロ，山﨑正悟，多々良涼一，駒場慎一，高石玲奈，椎山栄介，松山貴志
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] ポリアクリル酸系バインダーを用いたSi系負極のマチュレーション処理の作用機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 友井悠斗，山﨑正悟，多々良涼一，水田浩徳，河野景，森悟郎，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] 非水系電解液を用いたルビジウム空気電池 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤本竜成，多々良涼一，五十嵐大輔，保坂知宙，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] 黒鉛電極への電気化学的ルビジウムインターカレーション反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 五十嵐大輔，藤本竜成，多々良涼一，保坂知宙，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] KxMn[Mn(CN)6]の沈殿合成とカリウム電池特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 星悠樹，保坂知宙，多々良涼一，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] 希薄電極法によるハードカーボン負極のNa吸蔵 / 放出特性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤井勇生，五十嵐大輔，多々良涼一，保坂知宙，高石玲奈，椎山栄介，松山貴志，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] P’2型Na2/3MnO2へのScの導入とNa電池正極特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 守谷洸大，三浦佑介，キムウンジョン，保坂知宙，多々良涼一，熊倉真一，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] 犧牲塩Na2CO3を添加したP2型Na2/3Ni1/3Mn2/3O2電極の電気化学特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水優好，前島捷人，多々良涼一，保坂知宙，梅津和照，岡田宣宏，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] 機械学習を用いたナトリウムイオン電池用Ni,Ti,Mn,Fe系層状酸化物正極材料の有望組成探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 関根紗綾，保坂知宙，前島捷人，多々良涼一，中山将伸，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] カリウムイオン電池用電極材料を用いた全固体型カリウムイオン選択制電極 (2023)
  • 著者名/発表者名: 多々良涼一，小杉始大，石原研太，大谷有紗，保坂知宙，青木一真，宮本優希，長田広幸，武居祐子，松井貴弘，高山利治，駒場慎一
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] Shogo Yamazaki, Ryoichi Tatara, Hironori Mizuta, Kei Kawano, Goro Mori, Shinichi Komaba (2023)
  • 著者名/発表者名: Degradation of FEC Added Electrolytes in Si/Li and Si/LFP Cells
  • 学会等名: International Bettery Association-2023 Annual Conference (IBA 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Ryoichi Tatara, Hosei Suzuki, Mizuki Hamada, Shinichi Kumakura, Shinichi Komaba (2023)
  • 著者名/発表者名: All-Solid-State Sodium and Potassium Polymer Batteries
  • 学会等名: International Bettery Association-2023 Annual Conference (IBA 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] スルホラン系濃厚電解液のカリウムイオン電池への適用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 多々良 涼一・五十嵐 大輔・保坂 知宙・駒場 慎一
  • 学会等名: 日本化学会 第103春季年会
• [学会発表] Altering Anode Interphase Chemistry with Fluorosulfonate-Type Additives in a Potassium Ion Cell (2022)
  • 著者名/発表者名: Zachary Tyson GOSSAGE，Tomooki HOSAKA, Tatsuo MATSUYAMA, Ryoichi TATARA, Shinichi KOMABA
  • 学会等名: 第23回化学電気材料研究会ミーティング
• [学会発表] スチレン-アクリルゴム系バインダーを用いたLiCoO2正極の電気化学特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: インロ，山﨑正悟，多々良涼一，高石玲奈，椎山栄介，松山貴志，駒場慎一
  • 学会等名: 第23回化学電気材料研究会ミーティング
• [学会発表] Maturation effect of Si-based electrodes with newly developed polyacrylate binders (2022)
  • 著者名/発表者名: Shogo Yamazaki, Ryoichi Tatara, Tomooki Hosaka, Hironori Mizuta, Kei Kubota, Shinichi Komaba
  • 学会等名: 21st International Meeting on Lithium Batteries (IMLB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Structure and Performance of Gluconate-Derived Hard Carbon for Sodium-ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoko Tanaka, Daisuke Igarashi, Kei Kubota, Ryoichi Tatara, Tomooki Hosaka, Shinichi Komaba
  • 学会等名: 21st International Meeting on Lithium Batteries (IMLB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Lithium Alginate Sulfate as an Effective Polymer Binder for High-Voltage LiNi0.5Mn1.5O4 Electrodes (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Tatara, Asako Oishi, Eiichi Togo, Hiroshi Inoue, Shinichi Komaba
  • 学会等名: 21st International Meeting on Lithium Batteries (IMLB2022)
  • 国際学会
• [学会発表] K-ion Chemistry from Liquid to Solid Electrolytes (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Tomooki Hosaka, Ryoichi Tatara
  • 学会等名: Power Our Future 2022 (POF22)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Current Status of Operand-μSR for Battery Materials at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Ohishi, Daisuke Igarashi, Ryoichi Tatara, Izumi Umegaki, Shoichiro Nishimura, Akihiko Koda, Shinichi Komaba, Jun Sugiyama
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance
  • 国際学会
• [学会発表] 常温非水電解液中でのAI(Ⅲ)イオンの電解還元反応の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川邊瑞季，保坂知宙，多々良涼一，駒場慎一
  • 学会等名: 2022年電気化学秋季大会
• [学会発表] Potassium-Ion Chemistry: Graphite and Vanadium Phosphates (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Daisuke Igarashi, Mirai Ohara, Tomooki Hosaka, Ryoichi Tatara, Hiroo Onuma, and Kei Kubota
  • 学会等名: 73rd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of Na-insertable hard carbons as “Beyond Li-GIC“ (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Azusa Kamiyama, Kei Kubota, Daisuke Igarashi, Ryoichi Tatara, and Tomooki Hosaka
  • 学会等名: Na Battery Symposium 2022 (SBS-3)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Novel ZnO-Templated Nanoporous Hard Carbons for High-Capacity Sodium-Ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Daisuke IGARASHI, Yoko TANAKA, Ryoichi TATARA, Tomooki HOSAKA, and Shinichi KOMABA
  • 学会等名: Na battery Symposium 2022 (SBS-3)
  • 国際学会
• [学会発表] The effect of Cu(Ⅱ) substitution on material and electrochemical properties on sodium deficient manganese-based oxides (2022)
  • 著者名/発表者名: Eun Jeong Kim, Tomooki Hosaka, Kei Kubota, Ryoichi Tatara, Shinichi Kumakura, Shinichi Komaba
  • 学会等名: IBA2022-International Battery Association Hybrid Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Na-ion and K-ion Chemistry for next generation battery (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Ryoichi Tatara, Tomooki Hosaka, and Daisuke Igarashi
  • 学会等名: The 1st International Workshop on Carbon Value Science and Technology
  • 国際学会
• [学会発表] カリウムイオン電池用電解液添加剤の探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田原達朗，保坂知宙，松山達央，多々良涼一，駒場慎一
  • 学会等名: 第63回電池討論会
• [学会発表] Si系負極のサイクル特性向上と電極および電解液の劣化挙動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山﨑正悟，多々良涼一，水田浩徳，河野景，森悟郎，駒場慎一
  • 学会等名: 第63回電池討論会
• [学会発表] LiCoO2正極用スチレン-アクリルゴム系バインダーの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: インロ，山﨑正悟，多々良涼一，駒場慎一，高石玲奈，椎山栄介，松山貴志
  • 学会等名: 第63回電池討論会
• [学会発表] KFSA/スルホラン濃厚溶液のカリウムイオン電池電極液への適用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 五十嵐大輔，多々良涼一，保坂知宙，駒場慎一
  • 学会等名: 第63回電池討論会
• [学会発表] ZnO鋳型ハードカーボンの合成とナトリウムおよびカリウムイオン電池負極特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中陽子，五十嵐大輔，久保田圭，多々良涼一，保坂知宙，駒場慎一
  • 学会等名: 第63回電池討論会
• [学会発表] Extremely High-Capacity Design of Hard Carbon for Na- and K-Ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoko Tanaka, Daisuke Igarashi, Kei Kubota, Ryoichi Tatara, Tomooki Hosaka, and Shinichi Komaba
  • 学会等名: 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Liquid and Polymer Electrolytes for Potassium-lon Battery (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Tatara, Shinichi Komaba, Tomooki Hosaka, and Daisuke Igarashi
  • 学会等名: 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Impact of Electrolyte Additives on Interphase Chemistry and Performance in Potassium-Ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Zachary T. Gossage, Tomooki Hosaka, TatsuioMatsuyama, Ryoichi Tatara, and Shinichi Komaba
  • 学会等名: 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Crosslinked Polyacrylate Binder and Electrode Maturation for Si-Based Composite for LIB (2022)
  • 著者名/発表者名: Shogo Yamazaki, Ryoichi Tatara, Tomooki Hosaka, Hironori Mizuta, Kei Kubota, and Shinichi Komaba
  • 学会等名: 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Materials Chemistry for Sodium- and Potassium-Ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Komaba, Ryoichi Tatara, Tomooki Hosaka, Daisuke Igarashi
  • 学会等名: 6th International Conference on Functional Materials Science 2022 / RIKEN SYMPOSIUM
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 希薄電極法によるハードカーボンの電気化学評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤井勇生，多々良涼一，高石玲奈，椎山栄介，松山貴志，駒場慎一
  • 学会等名: 第49回炭素材料学会年会
• [学会発表] Superconcentrated Aqueous Electrolytes for Na- and K-Ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomooki Hosaka, Ryoichi Tatara, and Shinichi Komaba
  • 学会等名: 7th International Conference on Sodium Batteries (7th ICNaB 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京理科大学 研究者情報データベース
  • URL: https://www.tus.ac.jp/ridai/doc/ji/RIJIA01Detail.php?act=pos&kin=ken&diu=735a
• [産業財産権] 空気電池 (2023)
  • 発明者名: 多々良 涼一 他
  • 権利者名: 多々良 涼一 他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2023-039116
• [産業財産権] 負極活物質、負極、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池及び負極活物質の製造方法 (2022)
  • 発明者名: 多々良 涼一 他
  • 権利者名: 多々良 涼一 他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2022-089895