课题基金 / 基金详情

Innovative energy storage materials based on the peculiar functions realized by isolated molecules/orbitals.

Innovative energy storage materials based on the peculiar functions realized by isolated molecules/orbitals.
基于孤立分子/轨道实现的特殊功能的创新储能材料。
批准号：
20H05673
负责人：
山田 淳夫
金额：
$125.72万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
项目状态：
未结题
起止时间：
2020-08-31 至 2025-03-31
来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H05673/
关键词：
孤立軌道孤立分子蓄電池電気化学反応分子動力学計算酸素レドックス酸素ラジカル酸素二量体遷移金属移動液相マーデルングポテンシャルデバイ・ヒュッケル理論電極電位静電相互作用電気化学機能

项目摘要

项目成果

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中文摘要
翻译
蓄電池により多くの電荷を貯蔵するためには、電極材料中のできるだけ多くの構成元素への電子の出し入れを利用する必要がある。一般に利用される遷移金属の3d軌道への電子授受に加え、孤立した酸素2p軌道への電子の出し入れを利用するこれまでの研究では、まず充電による遷移金属イオンのサイト移動により特殊な酸素の二量化が誘引され、サイト移動した遷移金属イオンそのものが電圧降下を引き起こす主原因とされてきた。本研究では、Li1.2-xNi0.13Co0.13Mn0.54O2を対象に、リチウムを引く抜く過程で想定される様々な状態に対する安定性を緻密に評価し、相対比較を行った。その結果、電圧降下の引き金となるのは、実は遷移金属イオンのサイト移動ではなく、酸素の二量化であることが判明した。遷移金属イオンの移動は、酸素の二量化による構造変化が引きおこす副次的な現象であり、電圧降下よりもむしろ容量低下の主原因になっている事が解った。具体的には、x<0.63では酸素ラジカル、x>0.63では酸素二量体が優先的に生成し、これに誘引される形で遅れて遷移金属の移動が起こる。このように、電極中の孤立酸素2p軌道から電子を引き抜く際に誘引される逐次相転移現象に対する従来の定説が明確に否定され、正しい描像が与えられた。以上の成果により、電極材料への電荷貯蔵量の限界突破に向けては、これまで最重要とされてきた遷移金属の移動の抑制ではなく、より根本的な劣化の引き金となる酸素の二量化を優先的に抑制する材料設計が必要となる。
英文摘要
蓄電池により多くの電荷を貯蔵するためには、電極材料中のできるだけ多くの構成元素への電子の出し入れを利用する必要がある。一般に利用される遷移金属の3d軌道への電子授受に加え、孤立した酸素2p軌道への電子の出し入れを利用するこれまでの研究では、まず充電による遷移金属イオンのサイト移動により特殊な酸素の二量化が誘引され、サイト移動した遷移金属イオンそのものが電圧降下を引き起こす主原因とされてきた。本研究では、Li1.2-xNi0.13Co0.13Mn0.54O2を対象に、リチウムを引く抜く過程で想定される様々な状態に対する安定性を緻密に評価し、相対比較を行った。その結果、電圧降下の引き金となるのは、実は遷移金属イオンのサイト移動ではなく、酸素の二量化であることが判明した。遷移金属イオンの移動は、酸素の二量化による構造変化が引きおこす副次的な現象であり、電圧降下よりもむしろ容量低下の主原因になっている事が解った。具体的には、x<0.63では酸素ラジカル、x>0.63では酸素二量体が優先的に生成し、これに誘引される形で遅れて遷移金属の移動が起こる。このように、電極中の孤立酸素2p軌道から電子を引き抜く際に誘引される逐次相転移現象に対する従来の定説が明確に否定され、正しい描像が与えられた。以上の成果により、電極材料への電荷貯蔵量の限界突破に向けては、これまで最重要とされてきた遷移金属の移動の抑制ではなく、より根本的な劣化の引き金となる酸素の二量化を優先的に抑制する材料設計が必要となる。
期刊论文(30)
专著(0)
科研奖励(0)
会议论文
酸素レドックス反応における巨大電位ヒステリシス
氧氧化还原反应中巨大的潜在滞后
DOI： --
发表时间： 2021
期刊：
影响因子： --
作者： [川合航右, Xiang-Mei Shi, 竹中規雄, Jeonguk Jang, Benoit Mortemard de Boisse, 土本晃久, 朝倉大輔, 吉川純, 中山将伸, 大久保將史, 山田淳夫]
通讯作者： 山田淳夫
Square-Scheme Electrochemistry in Battery Electrodes
DOI： 10.1021/accountsmr.1c00155
发表时间： 2021-11
期刊： Accounts of Materials Research
影响因子： 14.6
作者： [M. Okubo;Kosuke Kawai;Zihan Ma;A. Yamada]
通讯作者： M. Okubo;Kosuke Kawai;Zihan Ma;A. Yamada
Relationship between Electric Double-Layer Structure of MXene Electrode and Its Surface Functional Groups
MXene电极的电双层结构与其表面官能团的关系
DOI： 10.1021/acs.chemmater.1c03328
发表时间： 2022
期刊： Chemistry of Materials
影响因子： 8.6
作者： [Shimada Tatau, Takenaka Norio, Ando Yasunobu, Otani Minoru, Okubo Masashi, Yamada Atsuo]
通讯作者： Yamada Atsuo
Liquid Madelung potential as a descriptor for better electrode reactions
液体马德隆电势作为更好电极反应的描述符
DOI： --
发表时间： 2022
期刊：
影响因子： --
作者： [大島彬広, 増子拓紀, 片山郁文, 武田淳, 小栗克弥, Atsuo Yamada]
通讯作者： Atsuo Yamada
共 23 条
    Exploration of fluorine-free electrolytes with superior functions
    • 批准号：
      22KF0115
    • 项目类别：
      Grant-in-Aid for JSPS Fellows
    • 资助金额：
      $1.86万
    • 财政年份：
      2023
    • 负责人：
      山田 淳夫
    • 依托单位：
      The University of Tokyo
    リチウムイオン電池の広域温度動作に向けた電解液設計
    • 批准号：
      23KF0021
    • 项目类别：
      Grant-in-Aid for JSPS Fellows
    • 资助金额：
      $1.54万
    • 财政年份：
      2023
    • 负责人：
      山田 淳夫
    • 依托单位：
      The University of Tokyo
    リチウム金属二次電池に向けた難燃性電解液の開発
    • 批准号：
      21F21335
    • 项目类别：
      Grant-in-Aid for JSPS Fellows
    • 资助金额：
      $1.47万
    • 财政年份：
      2021
    • 负责人：
      山田 淳夫
    • 依托单位：
      The University of Tokyo
    Exploration of Ultra-High Voltage Cathodes for Rechargeable Batteries
    • 批准号：
      20F20038
    • 项目类别：
      Grant-in-Aid for JSPS Fellows
    • 资助金额：
      $1.47万
    • 财政年份：
      2020
    • 负责人：
      山田 淳夫
    • 依托单位：
      The University of Tokyo
    海外基金