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。

基本信息

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
起止时间：
2020-08-31 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

要将更多的电荷存储在储物电池中，有必要将电子的摄入量和去除到电极材料中尽可能多的组成元素中。以前使用电子传输并从孤立的氧2p轨道接收电子的研究除了常用的过渡金属外（也常用的过渡金属）外，它一直是，特殊的氧二聚体首先是由于充电而引起的过渡金属离子的现场移动引起的，而过渡金属离子本身本身已经移动的位点引起了伏特的降落。在这项研究中，我们仔细评估了LI1.2-XNI0.13CO0.13MN0.54O2对拔出锂过程中预期的各种状态的稳定性，并进行了相对比较。结果，发现电压下降的触发因素实际上不是过渡金属离子的位点移动，而是氧气的二聚化。已经发现，过渡金属离子的迁移是由氧二聚体引起的结构变化引起的次要现象，并且是容量下降而不是电压下降的主要原因。具体而言，氧自由基在x <0.63处优先产生，并且在x> 0.63处产生氧二聚体，并将过渡金属吸引到此处，然后转移。因此，当电子从电极中的分离氧2p轨道中提取电子时吸引的顺序相变现象的常规理论被清楚地拒绝，并且给出了正确的图像。通过上述结果，为了突破电极材料中电荷存储量的极限，有必要设计优先抑制氧二聚体的材料，从而触发更基本的降解，而不是抑制过渡金属的迁移，这已经被认为是最重要的事情。

项目成果

期刊论文数量（30）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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：
0
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

Influence of surface termination groups on electrochemical charge storage of MXene electrodes

表面终止基团对 MXene 电极电化学电荷存储的影响