Theory of highly concentrated aqueous electrolyte and application to dual ion battery

高浓度水系电解液理论及其在双离子电池中的应用

基本信息

批准号：
21H04700
负责人：
石原達己
金额：
$ 27.04万
依托单位：
Kyushu 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 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04700/
关键词：
デュアルイオン電池水電解液高濃度イオン性液体

项目摘要

デュアルイオン電池(DIB)は炭素へのアニオンとカチオンの挿入を利用した2次電池である。この電池は高濃度水系電解液を用いると、Liイオン電池並みの高エネルギー密度に到達できる可能性がある。多成分系高濃度水系電解液では、電位窓が大きく広がるが、溶媒和構造を含めて、その機構は十分、解明されていないので、そこで、本研究では電位窓を広く取れる高濃度電解液の探索とその溶媒和構造を含めて、安定性が向上する機構を検討した。初年度は、水系電解液への添加物効果を検討し、アセトニトリルまたはテトラグライム(G4)を添加すると耐還元性が大きく向上し、1.7-5.2Vという広い電位窓を到達することができた。２年度目は、さらに検討の領域を広げ、電位窓が広がる機構を検討した。ラマン分析からはG4を添加するとすべての水がLiFSI-LiTFSIという支持塩に溶媒和することが分かった。さらに詳細なハイブリッド電解液の溶媒和構造を検討し、G4の混合は、水和クラスターにトラップされているアニオンを自由にし、インタカレートしやすくする効果があることを活性化エネルギーの測定で示した。高濃度水系電解液中ではアニオンはLi+の溶媒和クラスターにトラップされており、インタカレートを生じにくいが、G4の添加で、Li+により強く溶媒和するので、電荷が局所化し、アニオンはトラップから解放される。この結果、インタカレーションする活性化エネルギーは低下することが分かった。一方、KS6/Mo6S8というフルセルを作成し、繰り返し充放電の安定性を検討した。その結果、G4を添加するとMo6S8上に良好なSEIが生成し、電解液の分解が抑制されることを示した。セルは、40mAh/g程度の容量を500サイクル安定に示した。

双离子电池（DIB）是利用阴离子和阳离子插入碳的二次电池。通过使用高浓度的水性电解质，该电池有可能达到与锂离子电池相当的高能量密度。在多组分高浓度水性电解质中，电位窗口大大加宽，但其机制（包括溶剂化结构）尚未完全阐明。对提高稳定性的机制进行了研究，包括探索及其溶剂化结构。第一年，我们研究了添加剂对水性电解质的影响，发现添加乙腈或四甘醇二甲醚（G4）大大提高了抗还原性，并实现了1.7-5.2V的宽电位窗口。第二年，我们进一步扩大了调查范围，研究了潜在窗口扩大的机制。拉曼分析表明，当添加G4时，所有的水都被支持盐LiFSI-LiTFSI溶剂化。我们更详细地研究了混合电解质的溶剂化结构，并通过活化能的测量表明，混合 G4 具有释放水合簇中捕获的阴离子并使它们更容易嵌入 Ta 的作用。在高浓度的水性电解质中，阴离子被困在Li+溶剂化簇中，难以嵌入，但随着G4的加入，它们被Li+强烈溶剂化，因此电荷被局域化，阴离子被从陷阱中去除并释放。结果发现，插层活化能降低。另一方面，我们创建了一种名为 KS6/Mo6S8 的全电池，并检查了重复充电和放电的稳定性。结果表明，添加G4在Mo6S8上产生了良好的SEI并抑制了电解液的分解。该电池在500次循环后显示出约40mAh/g的稳定容量。