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環エネTOPICS

2022年2月3日
教員・研究者

近藤 靖幸 助教

教員紹介

氏名 近藤 靖幸
職名 助教
学位 博士 (工学)
領域 エネルギー材料学領域
領域HP

 

リチウムイオン電池の充放電反応機構解析

近年、リチウムイオン電池を電源とした電気自動車が実用化され始めています。電気自動車の高性能化のため、その充放電反応の高速化は重要な課題であり、電池内部抵抗の低減が求められています。リチウムイオン電池の充放電反応は、正極・負極間におけるリチウムイオンの移動によって進行しますが、その充放電時の内部抵抗成分は複数の反応ステップに由来しています。そのため、充放電反応を高速化するためには、その内部抵抗を生み出す充放電反応機構を詳細に明らかにすることが必要となります。

我々のグループでは、リチウムイオン電池充放電時の内部抵抗と反応機構を基礎的に解析し、その抵抗低減の指針を得ることを目指して研究を行っています。例えば、現行のリチウムイオン電池の多くでは、リチウムイオンが電極と電解液の間の固体/液体界面を移動する際のエネルギー障壁が非常に大きく、充放電反応の高速化を妨げています。我々はこれまでに、電極/電解液界面でのリチウムイオンおよびナトリウムイオン移動のエネルギー障壁が電解液組成に依存することを明らかにしました。今後も、様々な二次電池の充放電反応機構を明らかにし、反応高速化に向けた明確な指針を提示することで、高速充放電が可能な蓄電デバイスの実現を目指します。

次世代エネルギー貯蔵デバイスの開発

リチウムイオン電池は、正極に層状遷移金属酸化物、負極に黒鉛などの炭素材料、リチウムイオン伝導性電解質には有機溶媒にリチウム塩を溶解させた有機電解液を用いて製造されています。現行のリチウムイオン電池では、既に理論値に近いエネルギー密度を有するものが実用化されており、更なる高エネルギー密度化のためには新規電極材料や新規電池反応の開発が必要とされています。一方、既存の電極材料を用いた場合でも、他のイオン種の充放電反応が進行する場合があり、新規二次電池反応の開発に繋がる可能性を秘めています。例えば、黒鉛にはリチウムイオンだけでなく、様々なカチオンやアニオンの吸蔵放出が可能であり、次世代蓄電デバイス用電極の候補として検討されています。安全性の観点では、現在使われている有機電解液は可燃性であるため、電気自動車などの大型用途では火災の危険性が高く、不燃性の電解質の開発も求められています。

我々のグループでは、これらの課題を解決し得る次世代エネルギー貯蔵デバイスの開発を目指して研究を行っています。これまでに、中性水溶液中で電解質アニオンを黒鉛へ吸蔵放出できることを明らかにし、水溶液を用いた高安全な蓄電デバイスの正極として黒鉛が適用可能であることを見出しています。このような次世代電池材料や新規電池反応の探索により、高性能エネルギー貯蔵デバイスの開発を目指します。

論文・著書リスト:

  1. Y. Kondo, T. Fukutsuka, K. Miyazaki, Y. Miyahara, and T. Abe: “Investigation of Electrochemical Sodium-Ion Intercalation Behavior into Graphite–Based Electrodes” J. Electrochem. Soc. 166 (3) A5325–A5327 (2019).
  2. Y. Kondo, Y. Miyahara, T. Fukutsuka, K. Miyazaki, and T. Abe: “Electrochemical Intercalation of Bis(fluorosulfonyl)amide Anions into Graphite from Aqueous Solutions” Electrochem. Commun. 100 26–29 (2019).
  3. Y. Kondo, T. Fukutsuka, Y. Yokoyama, Y. Miyahara, K. Miyazaki, and T. Abe: “Kinetic Properties of Sodium–Ion Transfer at the Interface between Graphitic Materials and Organic Electrolyte Solutions” J. Appl. Electrochem. 51 (4) 629–638 (2021).