高性能光蓄電池の構築を目指したスピネル型酸化物正極の光電気化学挙動の解明

阐明用于构建高性能光伏电池的尖晶石型氧化物阴极的光电化学行为

基本信息

批准号：
22K14499
负责人：
下川航平
金额：
$ 3万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，光による電子励起を利用して充電反応を駆動する蓄電池（以後，光蓄電池）の構築に向けた基礎研究として，スピネル型酸化物正極の光電気化学挙動を調査することを主な目的としている．具体的には，スピネル型酸化物正極材料として一般的なLiMn2O4を用いた際の光電気化学特性を評価した後に，LiMn2O4を基軸として組成を変更した材料にも研究を展開することで，俯瞰的な理解を得ることを目指している．本年度の実績として，LiMn2O4とTiO2（光触媒）の粉末を混合した電極に対して，電子アクセプタを含む水系濃厚電解液中で紫外・可視光を照射することにより，LiMn2O4からのLi脱離（正極材料の充電反応）が進行することを実証し，さらにその詳細をＸ線構造解析や組成分析により明らかにした．本成果は，電子アクセプタを用いた半電池の設計であるものの，LiMn2O4などの所謂４Ｖ級の正極材料の安定的な光充電を初めて実証した研究として重要である．LiMn2O4が高電位の光蓄電池用正極材料として有望であることを示すことに成功したが，Li脱離後の構造の不安定性から光充電/放電時の可逆性に課題があったため，LiMn2O4の安定性を向上するための材料設計を行った．その結果，Mnの一部を異種元素で置換することにより，光照射下での不均化反応を抑制できることを明らかにした．これは，従来のリチウムイオン電池における正極材料設計の知見を活かしながら，高性能光蓄電池の実現に向けた設計指針を示す点で，意義深い進展である．現在は，異種元素置換を施した種々の材料の光充電特性を系統的に調査し，俯瞰的な理解を通じた新たな材料設計の学術基盤構築を目指して研究を推進している．

在本研究中，我们主要研究尖晶石型氧化物阴极的光电化学行为，作为构建利用光激发电子驱动充电反应的蓄电池（以下简称光伏电池）的基础研究。具体来说，在评估了常用作尖晶石型氧化物正极材料的LiMn2O4的光电化学性能后，我们将把我们的研究扩展到基于LiMn2O4的改性材料，从而获得鸟瞰图。深刻的理解。本财年的结果是，LiMn2O4（正极材料）中的Li脱附我们证明了充电反应（充电反应）尽管这一结果是使用电子受体的半电池设计，但它很重要，因为这是首次证明所谓的 4V 级阴极材料（例如 LiMn2O4）的稳定光充电的研究。尽管我们成功地证明了LiMn2O4作为高电位光伏电池的正极材料很有前景，但由于Li脱附后结构的不稳定，在光充/放电过程中存在可逆性问题。我们设计了该材料以改善其性能。结果表明，通过用异种元素取代一部分Mn，可以抑制光照射下的歧化反应。这是一项重大进展，因为它为实现高性能光伏电池提供了设计指南，同时利用了传统锂离子电池阴极材料设计的知识。目前，我们正在系统地研究不同元素替代的各种材料的光充电特性，并正在推进研究，旨在通过全面理解为新材料设计奠定学术基础。