Electric double layer in nanospace: Integration of statistic analyses of experimental and simulation data

纳米空间中的双电层：实验数据和模拟数据统计分析的整合

基本信息

批准号：
21H04697
负责人：
大久保將史
金额：
$ 27.21万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は、電気二重層キャパシタの高エネルギー密度化を目指し、静電容量を増大させる新しい指針として「インターカレーション静電容量」を提案するものである。具体的にはMXene（マキシン）と総称される層状化合物を研究対象とする。MXeneは、層間ナノ空間に挿入されたイオンが電気二重層を形成し、インターカレーション静電容量を与える。これまでの応募者の研究で、層間ナノ空間に共挿入された電解液の溶媒分子が外部電場を過剰遮蔽し、静電容量を大幅に増大することが明らかとなっていた。2022年度においては、MXeneの電子状態・構造状態、表面官能基、電解液溶媒分子の性質、イオン種、濃度、などのインターカレーション静電容量を支配すると考えられる因子の膨大な数に及ぶ組み合わせに対して、2021年度に成功していた溶融塩を用いて表面官能基を完全に制御MXeneの電極特性を精密に解析した。その結果、通常の-F/-Cl/-O/-OHなどの複数の表面官能基を含むMXeneが優れた電極活性を示すのに対して、-Clのみ、-Brのみが表面官能基として修飾しているMXeneは全くイオンインターカレーション反応容量を示さないことが分かった。そのメカニズムは不明であるが、充電後にMXeneがアモルファス化していることが確認され、特定の官能基が電極活性を発現するために不可欠であることが分かった（K. Kawai, et al., 2D Mater. 2023, 10, 014012）。また、MXeneのデータベースを構築するための準備として、JSON形式でLiFePO4の電極特性をデータベース化する方法論を模索し、ツリー型にすることで効率的なデータ可視化が可能となった。

这项研究旨在提高双电层电容器的能量密度，并提出“嵌入电容”作为增加电容的新指导方针。具体来说，研究目标是统称为 MXene 的层状化合物。在 MXene 中，插入层间纳米空间的离子形成双电层并提供插层电容。申请人之前的研究表明，共插入层间纳米空间的电解质的溶剂分子过度屏蔽了外部电场并显着增加了电容。到 2022 年，我们将研究大量被认为控制插层电容的因素组合，例如 MXene 的电子和结构状态、表面官能团、电解质溶剂分子的性质、离子种类和浓度。我们精确分析了MXene的电极性能，利用熔盐完全控制了表面官能团，并于2021年获得成功。结果发现，含有多个表面官能团（例如普通-F/-Cl/-O/-OH）的MXene表现出优异的电极活性，而仅-Cl和-Br仅具有表面官能团。无离子嵌入反应能力。尽管机制尚不清楚，但已证实MXene在充电后变成非晶态，并且发现特定的官能团对于表达电极活性至关重要（K. Kawai, et al., 2D Mater. 2023, 10, 014012）。此外，在准备构建 MXene 数据库时，我们探索了一种以 JSON 格式创建 LiFePO4 电极特性数据库的方法，并创建了一种能够实现高效数据可视化的树格式。

项目成果

期刊论文数量（19）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Square-Scheme Electrochemistry in Battery Electrodes

DOI：
10.1021/accountsmr.1c00155
发表时间：
2021-11
期刊：
Accounts of Materials Research
影响因子：
14.6
作者：
M. Okubo;Kosuke Kawai;Zihan Ma;A. Yamada
通讯作者：
M. Okubo;Kosuke Kawai;Zihan Ma;A. Yamada

Relationship between Electric Double-Layer Structure of MXene Electrode and Its Surface Functional Groups

MXene电极的电双层结构与其表面官能团的关系

DOI：
10.1021/acs.chemmater.1c03328
发表时间：
2022
期刊：
Chemistry of Materials
影响因子：
8.6
作者：
Shimada Tatau;Takenaka Norio;Ando Yasunobu;Otani Minoru;Okubo Masashi;Yamada Atsuo
通讯作者：
Yamada Atsuo

無歪MXene負極を用いた全固体電池の開発

使用无应变MXene负极的全固态电池的开发