2015 Fiscal Year Annual Research Report
新材料・新界面統合設計戦略に基づく革新的エネルギー貯蔵システムの構築
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15H05701
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山田 淳夫 東京大学, 大学院工学系研究科, 教授 (30359690)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大久保 將史 東京大学, 大学院工学系研究科, 准教授 (20453673)
山田 裕貴 東京大学, 大学院工学系研究科, 助教 (30598488)
館山 佳尚 国立研究法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点 界面計算科学, グループリーダー (70354149)
原田 慈久 東京大学, 物性研究所, 准教授 (70333317)
朝倉 大輔 国立研究法人産業技術総合研究所, エネルギー技術研究部門, 研究員 (80435619)
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| Project Period (FY) |
2015 – 2019
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 電解液 / 水溶液 / 高電圧 / 常温溶解塩 / 電解質 / ドライルーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の最大の成果は、Hydrate melt型水溶液が極めて広い電位窓を有し、現用のリチウムイオン電池と同等以上の性能を実現できる見通しを得たことである。実験及び理論計算の双方から、全ての水分子がリチウムイオンに対して配位状態となっている特殊構造が機能の起源であることを確認した。現状のリチウムイオン電池の高性能化を大幅な低コスト化と同時に実現するばかりでなく、生産工程から投資・維持費とも極めて高額なドライルームが撤廃される可能性を提示する画期的結果である。現在、Nature Energy誌からの改訂の指示に対応しており、近日中に最終投稿の予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今回の常温溶融水和物、及びその極めて安定で高速な電解質機能の同時発見により、
(1) 新たなカテゴリーの電解質物質領域の創製
(2) 市販のリチウムイオン電池のエネルギー密度を水系電解液で大きく凌駕
(3) 市販のリチウムイオン電池を遙かに上回る高出力(大電流)特性
(4) 電池生産工程における禁水環境(ドライルーム)の撤廃
(5) 有機溶媒撤廃による絶対的安全性の確保
(6) リチウムイオン電池の価格破壊
(7) 新たな前提に基づく新型電池開発
といったこれまで予想すらできなかった変革の数々が、実験室レベルでの初期検討において既に実証されている。超汎用物質である「水」を基本とするプロセス設計とデバイス設計の双方が可能となることで、将来の蓄電池技術、ひいてはIoT時代の電力システムに計り知れないインパグトを与える可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
hydrate melt-based batteriesについて、現時点では高電圧作動時の長期充放電サイクル安定性が不十分であり、常温溶融水和物の高い電気化学安定性の起源解明と、更なる高安定化のための常温溶融水和物の設計及び電池セルに対する技術的施策が課題となる。電気化学測定及び電極表面の解析(X線光電子分光法、フーリエ変換赤外分光法)により、電気化学安定化に対する熱力学的要因及び速度論的要因(passivation)の寄与を明確化するとともに、第一原理分子動力学計算により、常温溶融水和物のフロンティア電子軌道準位の評価、酸化・還元時の分解反応経路の特定を行うことで、電気化学安定化の起源を解明する。得られた知見をもとに、更なる高安定常温溶融水和物の設計を行う。同時に、電解液のpH調整、電極・セル部材の改良・被覆等の技術的施策による充放電サイクル安定化を目指す。加えて、常温溶融水和物中におけるイオン輸送機構の解明も必要である。実験的には、パルス磁場勾配核磁気共鳴法によるカチオン、アニオン、水の自己拡散係数及び活性化エネルギーの評価を行い、superionicityを発現しているイオン種の特定を行う。並行して、第一原理分子動力学計算により、常温溶融水和物を含む様々な濃度の溶液について、各イオン種の拡散挙動・速度を調べ、常温溶融水和物に特有の拡散機構を特定する。以上、実験・理論の協奏的アプローチにより、常温溶融水和物の基礎物性に関する知見を体系化するとともに、新たな蓄電デバイス概念の確立を目指す。
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Research Products
(15 results)
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[Journal Article] Redox Potential Paradox in NaxM02 for Sodium-Ion Battery Cathodes2016
Author(s)
Yusuke Nanba, Tatsumi Iwao, Benoit Mortemard de Boisse, Wenwen Zhao, Eiji Hosono, Daisuke Asakura, Hideharu Niwa, Hisao Kiuchi, Jun Miyawaki, Yoshihisa Harada, Masashi Okubo, Atsuo Yamado
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Journal Title
CHEMISTRY OF MATERIALS
Volume: 28
Pages: 1058-1065
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Intermediate honeycomb ordering to trigger oxygen redox chemistry in layered battery electrode2016
Author(s)
Benoit Mortemard de Boisse, Guandong Liu, Jiangtao Ma, Shin-ichi Nishimura, Sai-Cheong Chung, Hisao Kiuchi, Yoshihisa Harada, Jun Kikkawa, Yoshio Kobayashi, Masashi Okubo, Atsuo Yamada
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Journal Title
NATURE COMMUNICATIONS
Volume: 7
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] ナトリウム過剩層状酸化物における酸素レドックス能の発現条件2016
Author(s)
大久保將史, Benoit Mortemard de Boisse, Guandong Liu, Jiangtao Ma, 西村真一, Sai-Cheong Chung, 木内久雄, 原田慈久, 吉川純, 小林義男, 山田淳夫
Organizer
電気化学会第83回大会
Place of Presentation
大阪大学(大阪府吹田市)
Year and Date
2016-03-31
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