New theory of electrode potential shift for innovative rechargeable batteries

创新可充电电池电极电势转移新理论

基本信息

批准号：
21H02039
负责人：
山田裕貴
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Osaka 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

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H02039/
关键词：
リチウムイオン電池電解液電気化学電極電位電位電池

项目摘要

本研究では、リチウムイオン電池の次世代電極（高電位正極・高容量負極）で問題となっている電解液の不要な酸化・還元分解を抑制する熱力学的新戦略を確立することを目的とする。具体的には、電極電位の自在制御が可能な電解液設計指針を確立するとともに、電極電位に着目した電解液設計により上記次世代電極の電位を電解液の電位窓内におさめることで、電解液の酸化・還元分解を抑制する。今年度は、高容量負極の高効率作動に向け、電極電位の更なる上昇を目指した検討を行った。具体的には、カチオンとアニオンのみからなり、中性溶媒分子を含まないイオン液体に着目した。イオン液体にリチウム塩を溶解した電解液を用いることで、電極電位が高くなる傾向にあることが分かった。この値は、従来の有機電解液で高濃度化や無極性溶媒の添加などの特殊な操作を行った場合と同等であった。これは、イオン液体中においてリチウムイオンの化学ポテンシャルが高いということを意味する。この結果に基づき、リチウムイオンと対アニオンの相互作用に加えて、リチウムイオン-有機カチオン間の斥力も考慮に入れた化学ポテンシャルおよび電極電位の決定要因について理論的考察を行った。本研究により、電解液中のリチウムイオンの配位環境に着目することで、リチウムイオンの化学ポテンシャル、ひいては電極電位を自在に制御可能になることが明らかとなった。従来、電極表面に形成される不働態被膜（solid electrolyte interphase, SEI)に着目した電解液設計がなされ、被膜による速度論的な電解液分解抑制効果が高容量負極の高効率作動に向けた主たる戦略とされてきた。本研究で提案した電極電位の自在制御は、速度論的戦略にかわる新たな熱力学的戦略であり、高性能リチウムイオン電池および次世代二次電池の開発に向けた重要な学術的基盤となる。

这项研究旨在建立一种新的热力学策略，以抑制电解质的不必要的氧化和还原分解，这是锂离子电池的下一代电极（高电位正极和高容量负电极）的问题。具体而言，通过设计专注于电极电位的电解质，抑制电解质电解质的电解质窗口内，可以自由控制电极电势，并通过将下一代电极的电势保持在电解质的电位窗口内，抑制电解质的氧化和还原。今年，我们进行了一项研究，旨在进一步增加电极电位，以实现高容量负极电极的高效运行。具体而言，我们专注于仅由阳离子和阴离子组成的离子液体，不包含中性溶剂分子。已经发现，将锂盐溶于离子液体中的电解质倾向于增加电极电位。该值与常规有机电解质进行特殊操作（例如高浓度和添加非极性溶剂）时相同。这意味着锂离子在离子液体中具有很高的化学潜力。基于此结果，我们考虑了锂离子与反公子之间的相互作用，以及锂离子与有机阳离子之间的排斥，对电极电位的化学潜力和决定因素进行了理论考虑。这项研究表明，通过关注电解质中锂离子的协调环境，锂离子的化学电位，从而可以自由控制电极电位。以前，已经对电极表面形成的钝化涂层（SEI）进行了电解质溶液设计，并认为通过涂层抑制电解质分解的动力学效应被认为是高度强度负极电极高效运行的主要策略。本研究中提出的电极潜力的自由控制是一种取代动力学策略的新型热力学策略，并且是开发高性能锂离子电池和下一代二级电池的重要学术基础。

项目成果

期刊论文数量（16）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Publons

普布隆斯

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0
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0
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DOI：
10.5260/chara.12.3.36
发表时间：
2011-01-01
期刊：
Charlest. Advis.
影响因子：
0
作者：
Hoseth, A.
通讯作者：
Hoseth, A.

山田研究室ウェブサイト

山田研究所网站

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0
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Designing electrolyte and interphase for high-voltage and safe batteries

设计高压安全电池的电解质和界面

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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yoshiharu Hida ,Toshihiro Isobe ,Akira Nakajima ;and Sachiko Matsushita;Yuki Yamada and Atsuo Yamada
通讯作者：
Yuki Yamada and Atsuo Yamada