Development of high-capacity cathodes for rechargeable batteries by controlling microstructure of oxides

通过控制氧化物微观结构开发可充电电池的高容量正极

基本信息

批准号：
21H01646
负责人：
河口智也
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，リチウムイオン電池などに用いられる酸化物電極材料に対して，多数の元素を固溶した際に現れるハイエントロピー効果が，微細組織形成・電極性能に与える影響とその機構を調査することを目的とする．また本研究を通じて，多元素混合時の微細組織形成挙動，微細組織により誘起される弾性歪，弾性歪の存在下における多元素の電荷補償反応と電子状態などを実験的・計算的に明らかにしつつ，それらを記述する学理構築を目指す．2年目に当たる2022年度は，上記の検証に適した系と考えられる材料として，元来多価イオンであるMgイオンの可逆的な挿入脱離が困難であると考えられていた岩塩型構造を有する酸化物材料を見出し，その物質の詳細な検討を実施した．電気化学特性，充放電特性の評価を様々な条件を行うことで，現状利用可能な蓄電池構成材や環境の中で，材料の特性を最も引き出せる条件を見出した．また，様々な充放電状態の試料に対して，精密な結晶構造解析，電子構造解析，化学分析を実施することで， Mgイオンの挿入脱離が可逆的に行われていることを実証するとともに，その脱挿入には構造中にカチオン空孔を十分量生成し，そのような空孔がMg挿入後にも消滅しないような材料設計が必要であることを明らかにした．これらの実験結果をもとに，Mg挿入脱離を実現するハイエントロピー酸化物の設計指針を得るために，Mg移動時のエネルギー障壁に対するカチオン空孔の影響を第一原理計算で評価するとともに，Mgが低いエネルギー障壁を有する経路のみを通るような拡散が実現するための組成領域を，パーコレーション理論に基づき検討した．

本研究旨在研究锂离子电池等氧化物电极材料中溶解多种元素时出现的高熵效应对微观结构形成和电极性能的影响和机制。通过这项研究，我们还通过实验和计算阐明了混合多种元素时的微观结构形成行为、微观结构引起的弹性应变，以及弹性应变存在下多种元素的电荷补偿反应和电子状态。构建一个描述它们的理论。在第二年的2022财年，我们将使用原本被认为难以可逆地嵌入和解吸多价离子Mg离子的岩盐型结构作为被认为适合上述验证的材料。发现了一种具有相同性质的氧化物材料，并对这种物质进行了详细研究。通过评估各种条件下的电化学性能和充放电特性，我们找到了在目前可用的蓄电池组件和环境中能够发挥材料最佳性能的条件。此外，通过对各种充放电状态下的样品进行精确的晶体结构分析、电子结构分析和化学分析，我们证明了Mg离子的插入和脱附是可逆发生的，并且阐明了对于Mg的插入和脱嵌，结构中必须产生足够量的阳离子空位，并且需要一种即使在嵌入镁后也能防止此类空位消失的材料设计。基于这些实验结果，为了获得实现Mg嵌入和脱附的高熵氧化物的设计指南，我们利用第一性原理计算评估了阳离子空位对Mg转移过程中能垒的影响，并基于渗流理论，我们研究了镁只能通过低能垒路径扩散的成分范围。

项目成果

期刊论文数量（13）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

リチウムイオン電池用酸化物正極材料におけるハイエントロピー化効果

锂离子电池氧化物正极材料的高熵效应

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
河口智也;卞篠;安田優哉;畠山拓也;李弘毅;市坪哲
通讯作者：
市坪哲

Bragg Coherent Diffraction Imaging Studies of Catalytic Alloy Nanoparticles

催化合金纳米粒子的布拉格相干衍射成像研究

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
和田佳樹;金　熙榮;田崎　亘;宮崎　修一;萩原幸司，中野貴由;Tomoya Kawaguchi
通讯作者：
Tomoya Kawaguchi

Evaluating the Validity of a Hydrogen Mapping Method Based on Laser-induced Breakdown Spectroscopy

评估基于激光诱导击穿光谱的氢测绘方法的有效性

DOI：
10.1380/ejssnt.2022-007
发表时间：
2022
期刊：
e-Journal of Surface Science and Nanotechnology
影响因子：
0.7
作者：
Imashuku Susumu;Kamimura Takumi;Kawaguchi Tomoya;Ichitsubo Tetsu
通讯作者：
Ichitsubo Tetsu

pH- and Cation-Dependent Water Oxidation on Rutile RuO2(110)

金红石 RuO2(110) 的 pH 和阳离子依赖性水氧化

DOI：
10.1021/acs.jpcc.1c00413
发表时间：
2021
期刊：
The Journal of Physical Chemistry C
影响因子：
0
作者：
Rao Reshma R.;Huang Botao;Katayama Yu;Hwang Jonathan;Kawaguchi Tomoya;Lunger Jaclyn R.;Peng Jiayu;Zhang Yirui;Morinaga Asuka;Zhou Hua;You Hoydoo;Shao-Horn Yang
通讯作者：
Shao-Horn Yang

ハイエントロピー酸化物を用いた蓄電池正極材料

采用高熵氧化物的蓄电池正极材料

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
植松英之，小泉洸太郎，山口綾香，山根正睦，田上秀一;胡皓宇,ブリフォ・ファビャン,白岩隆行,榎学;竹内恒博;河口智也，安田優哉，根本菜摘，下川航平，李弘毅，岡本範彦，市坪哲
通讯作者：
河口智也，安田優哉，根本菜摘，下川航平，李弘毅，岡本範彦，市坪哲