高エネルギー密度カリウムイオン二次電池用の新規酸化物系高電圧正極材料の開発

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K14730
• 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): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: カリウムイオン電池 / 二次電池 / 正極材料 / 電気化学 / 固体化学 / 物性論 / 数理物理学 / トポロジー

研究実績の概要

本研究課題では高電圧なカリウムイオン電池用新規正極材料として、高電位を示す層状型酸化物材料の開発に取り組んだ。本年度は様々なカリウム含有新規酸化物群の合成に成功した。得られた層状型新規酸化物材料群の充放電特性を検討した結果、4ボルトと高い電位を示すことが確認された。また高分解能透過型電子顕微鏡を用いて開発した正極材料の微細構造を観察したところ、特異な積層構造を含み、それは充放電特性に大きな影響を及ぼすだけではなく、多種多様な物理的・化学的・数論的現象を誘起させることが分かった。

また従来のカリウムイオン、ナトリウムイオン電池用正極材料に加えて、カリウムとナトリウム両方を含有する4ボルト級正極材料を開発し、カリウム-ナトリウム合金液体負極を用いた新しい蓄電池システム構築に向けて前進した。本成果は、ネイチャー コミュニケーションズに掲載された。

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

カリウムイオン電池用新規酸化物系正極材料に加えて、カリウム-ナトリウム合金液体負極を用いた新しい蓄電池システムの高電圧化に向けた新規酸化物系正極材料の開発に進展させた。その学術的注目度はネイチャー コミュニケーションズの論文掲載が示すところ。
またカリウム含有酸化物系正極材料のカリウムイオン出入れ機構を調べた結果、共形場理論（conformal field theory）を誘発していることを発見し、これらの材料群は新学術領域のモデル量子材料になることを示した。

今後の研究の推進方策

次年度は更なる材料開発を行い、特にカリウムイオン電池の高容量化に向けてカリウム過剰系（potassium-excess/potassium-rich）やアニオンレドックス（anion redox）を活用する新規酸化物系正極材料の開発に取り組む。すでに実験を進んでおり、一定の成果を見込んでいる。また、前年度に作製した新規酸化物系正極材料の高機能化に向けて、物性論（theoretical physics）と計算化学（computation）と併用して他分野の利用用途を検討する。

次年度使用額が生じた理由

物品費の変動によって56円の残額が発生した。56円で本実験に必要かつ購入可能な物品等は存在しなかったため、56円を次年度に繰り越した。

物品費に56円を加算して、本研究に必要な消耗品の購入に充てる。

研究成果

• [国際共同研究] Nanjing University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Nanjing University
• [国際共同研究] Indian Institute of Science(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: Indian Institute of Science
• [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology/Chalmers Institute of Technology(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: KTH Royal Institute of Technology/Chalmers Institute of Technology
• [雑誌論文] Topological Defects and Unique Stacking Disorders in Honeycomb Layered Oxide K2Ni2TeO6 Nanomaterials: Implications for Rechargeable Batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Masese, Y. Miyazaki, J. Rizell, G. M. Kanyolo, T. Takahashi, M. Ito, H. Senoh and T. Saito
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 4 ページ: 279-287
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02601
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mixed alkali-ion transport and storage in atomic-disordered honeycomb layered NaKNi2TeO6 (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Masese, Y. Miyazaki, J. Rizell, G. M. Kanyolo, C. Y. Chen, H. Ubukata, K. Kubota, K. Sau, T. Ikeshoji, Z. D. Huang, K. Yoshii, T. Takahashi, M. Ito, H. Senoh, J. Hwang, A. Alshehabi, K. Matsumoto, T. Matsunaga, K. Fujii, M. Yashima, M. Shikano, C. Tassel, H. Kageyama, Y. Uchimoto, R. Hagiwara and T. Saito
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 4660
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24694-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Honeycomb layered oxides: structure, energy storage, transport, topology and relevant insights (2021)
  • 著者名/発表者名: G. M. Kanyolo, T. Masese, N. Matsubara, C. Y. Chen, J. Rizell, Z. D. Huang, Y. Sassa, M. Mansson, H. Senoh and H. Matsumoto
  • 雑誌名: Chemical Society Reviews 巻: 50 ページ: 3990-4030
  • DOI: 10.1039/D0CS00320D
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unveiling structural disorders in honeycomb layered oxide: Na2Ni2TeO6 (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Masese, Y. Miyazaki, G. M. Kanyolo, T. Takahashi, M. Ito, H. Senoh and T. Saito
  • 雑誌名: Materialia 巻: 15 ページ: 101003
  • DOI: 10.1016/j.mtla.2021.101003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Coronene: A High-Voltage Anion De-insertion Cathode for Potassium-Ion Battery (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Kato, T. Masese and K. Yoshii
  • 雑誌名: New Journal of Chemistry 巻: 45 ページ: 4921-4924
  • DOI: 10.1039/D1NJ00387A
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tully-Fisher relation and its connection to a novel approach to general relativity (2021)
  • 著者名/発表者名: G. M. Kanyolo and T. Masese
  • 雑誌名: arXiv preprint 巻: 1 ページ: 1-13
  • DOI: 10.48550/arXiv.2101.07763
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Modelling Cationic Diffusion in Nickel-Based Honeycomb Layered Tellurates using Vashishta-Rahman Interatomic Potential and Relevant Insights (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sau, T. Ikeshoji, G. M. Kanyolo and T. Masese
  • 雑誌名: chemrxiv 巻: 1 ページ: 1-12
  • DOI: 10.26434/chemrxiv.13522076.v4
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Partition function for quantum gravity in 4 dimensions as a 1/N expansion (2021)
  • 著者名/発表者名: G. M. Kanyolo and T. Masese
  • 雑誌名: HAL (open archive) 巻: 1 ページ: 1-38
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Maths and honeycombs: Searching for the materials of the future (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Masese and G. M. Kanyolo
  • 雑誌名: Research Outreach 巻: 122 ページ: 62-66
  • DOI: 10.32907/RO-122-1272371729
  • オープンアクセス
• [学会発表] ハニカム層状構造を持つKイオン電池正極材料のSTEMによる原子構造直接観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮﨑 吉宣、高橋 照央、伊藤 美優、齋藤 智浩、マセセ タイタス、妹尾 博
  • 学会等名: 第61回電池討論会
• [図書] 次世代二次電池の開発動向、課題、将来展望 (2021)
  • 著者名/発表者名: マセセ タイタス、カニョロ ゴドゥウィリ ビティ
  • 総ページ数: 156
  • 出版者: 株式会社AndTech
• [産業財産権] カリウムイオン二次電池正極用スラリー、正極、カリウムイオン二次電池およびカリウムイオン二次電池正極用樹脂組成物 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス、妹尾博
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-016407
• [産業財産権] デュアルイオン電池 (2021)
  • 発明者名: 吉井一記、マセセ タイタス、松本一
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2021/024270
  • 外国
• [産業財産権] 黒鉛粒子およびこれを用いた電極材料、非水二次電池、並びに電気機器 (2021)
  • 発明者名: 池内勇太，マセセ タイタス，向井孝志，田中秀明，妹 尾博
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-166267
• [産業財産権] 銀イオンを電導する新奇ハニカム層状型酸化物機能材料 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス、田口 昇
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-196487
• [産業財産権] 二次電池用正極活物質、及び二次電池、並びに二次電池用正極活物質の製造方法 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス、鹿野 昌弘、栄部 比夏里、妹尾 博、佐野 光
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 7060866
• [産業財産権] 磁性材料 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス、鹿野 昌弘、田渕 光春、森 大輔
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 7054128
• [産業財産権] カリウムイオン二次電池用正極活物質 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス, 妹尾 博, 窪田 啓吾, 吉井 一記
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 7016148
• [産業財産権] カリウム化合物及びそれを含有するカリウムイオン二次電池用正極活物質 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス, 栄部 比夏里, 妹尾 博, 佐野 光
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 7034471
• [産業財産権] カリウム化合物及びそれを含有するカリウムイオン二次電池用正極活物質 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス, 栄部 比夏里, 妹尾 博, 佐野 光
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 10811684
  • 外国
• [産業財産権] カリウムイオン二次電池用正極活物質 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス, 栄部 比夏里, 妹尾 博, 佐野 光
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 10862120
  • 外国
• [産業財産権] 二次電池用正極活物質及びその製造方法、並びに二次電池 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス, 栄部 比夏里, 妹尾 博, 佐野 光
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 6934665
• [産業財産権] リチウム鉄マンガン系複合酸化物 (2021)
  • 発明者名: マセセ タイタス, 栄部 比夏里, 妹尾 博, 佐野 光
  • 権利者名: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 6927579