2022 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of new mechanism for dual-ion storage batteries concerted by lithium and multivalent ions
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18H05249
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
市坪 哲 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (40324826)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡本 範彦 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60505692)
河口 智也 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00768103)
谷村 洋 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (70804087)
八木 俊介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60452273)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | デュアルキャリア / 多価イオン / 蓄電池 / デントライト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，デュアルイオン蓄電池の構築するために，正極反応と負極反応の両面から一価イオンと多価イオンの協奏効果を調査し，蓄電デバイスの観点から高エネルギー密度の蓄電池を実現するための学理構築を目指してきた．
正極反応に関しては，インターカレーション型正極材料への挿入・脱離挙動に着眼し，「二価イオンの遅い固体内拡散は，一価イオンとの共存により促進される」という協奏効果を発見し，そのメカニズムを第一原理計算等を用いて解明した．さらに協奏効果の一般性を調べるため，多様な結晶構造を有する酸化物正極等を用いて，一価イオン（Li+，Na+）と二価イオン（Mg2+, Ca2+）の挿入・脱離挙動を系統的に調査し，その妥当性を検証した．
負極反応に関しては，LiやNa金属の析出・溶解過程において，Mg2+，Ca2+，Ba2+の添加効果を系統的に調査した．二価イオンと一価イオンの協奏効果により，有機電解液の溶液構造が改変され，一価イオンはアニオンとの直接的な配位状態の形成が促進され，脱溶媒和エネルギーの上昇することが実験・計算から示唆された．結果として，析出反応律速がデンドライト電析を抑制し，平坦な析出形態が得られることを見出した．また二種元素を利用する合金負極の検討を行い，Al母相とLiAl合金相の硬さがバランスした適度な硬さをもつAl箔は，面直方向のLiとAlの相互拡散を可能とし，合金反応に伴って生じる2倍もの体積膨張を一次元方向に制限することを初めて可能にし，デンドライト組織の抑制に成功した．このように，本研究課題は当初設定した研究目的を達成したほか，新たな展開につながる重要なヒントを多く発見した．
以上，正極および負極に関する各々の極に関する協奏効果は，拡散促進および平滑電析形態への変化という形に現れることが，本研究を通じて明らかとなり，これは今後の発展に繋がると期待している．
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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