東京理科大学　理学部　応用化学科の駒場研究室です。

Naイオン二次電池の作製

・3ボルト級のNaイオン二次電池の安定作動に世界で初めて成功しました。
・この電池は長寿命で、優れた急速充放電特性を有しています。
・Na-S電池とは異なり、室温で作動します。
・希少金属を使用しないため，“将来型低コスト大型電池”として期待できます。

Na系層状酸化物正極

Na系層状酸化物にはO3構造やP2構造と呼ばれる結晶構造をとるNa_xCoO₂や、Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂が
知られており、それぞれ結晶構造や電気化学特性が研究されています。

さらにNa系層状酸化物には六方晶(hexagonal)型と直方晶(orthorhombic)型と呼ばれる結晶多形をとる
P2-Na_2/3MnO₂が知られており、それぞれ結晶構造や電気化学特性が研究されています。
当研究室では、地殻中の存在量が豊富なFeを用いた正極材料として、O3 構造のNaFe_1/2Co_1/2O₂ やP2 構造の Na_2/3Fe_1/2Mn_1/2O₂がNa⁺の脱挿入により高い作動電圧や容量を示すことを見出しました。
P2-Na_2/3Fe_1/2Mn_1/2O₂はLiイオン電池に匹敵する190 mAh g^-1の可逆容量を示します。
また当研究室では地殻中の存在量が豊富なMnを用いた正極材料のP2-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂に対してTiやAlを微量ドープすることにより高いエネルギー密度を維持しつつ長寿命化を達成しました。P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/2Ti_1/6O₂は3.7Vの高い作動電圧を示します。
現在、新規正極材料の探索に加え、長寿命化に向けて構造解析を用いた劣化原因の究明と改善手法の設計も積極的に行っています。

炭素負極

負極材料としてハードカーボンを用いることで、Naイオンを電気化学的に脱挿入できることが知られています。我々は ハードカーボン負極のNa吸蔵機構や界面構造に着目して解析を行っています。

ハードカーボン負極はサイクル特性が短いという課題を抱えていましたが、電解液に添加剤FECを適量加えることでサイ クル特性が向上することを発見しました。


ハードカーボン負極のサイクル特性を改善するために、結着剤(バインダー)にも着目しました。従来のポリフッ化ビニリデ ン(PVdF)に替えてカルボキシメチルセルロース(CMC)を用いることで、サイクル特性を大きく向上させることに成功しました。

リン系負極

当研究室では黒リンが1500 mAh g^-1を越える可逆容量を有することを見出し、現在報告されているNaイオン電池用負極材料の中で最も高い可逆容量を示すことを報告しました。さらに電解液に添加剤FECやVCを加えサイクル特性が向上することを世界で初めて報告しました。

チタン系負極

当研究室ではレピドクロサイト型チタン酸塩が、チタン系Naイオン電池用負極材料の中では140 mAh g^-1を超える高い可逆容量と約80%の高い初回クーロン効率を有することを見出しました。

スズ系負極

当研究室ではNaイオン電池用負極材料として、缶詰などにも用いられる環境に無害なスズを利用したスズ/黒鉛合剤電極がバインダーにポリアクリル酸ナトリウム(PANa)を用いて700 mAh g^-1を越える可逆容量を100サイクル以上維持することを見出しました。