横浜国立大学 大学院理工学府 化学・生命系理工学 Department of Chemistry and Life Science, Yokohama National University (YNU)

　近年、脱炭素社会へと向けて再生可能エネルギーと電気自動車の普及が急速に進んでいます。将来的な持続可能エネルギー社会の実現のためには蓄電池、特にリチウムイオン電池のさらなる高性能化が求められています。しかし、現在、実用的な観点から既存材料の特性を大きく超えるような本命といえる次世代電池材料が見つかっていないのが現状です。研究室では電極材料設計の原理原則を一から見直し、既存理論の応用ではなく新しい化学を用いた次世代の電極材料を探索しています。



　現在、世界中でコバルト・ニッケルフリー構成を実現する電池材料の研究が行われています。また、従来は遷移金属イオンの固相酸化還元反応を利用する電池材料が一般的に用いられていましたが、研究室ではより資源が豊富なマンガンと酸素のレドックスを活用する電極材料の開発を進めています。酸素による電荷補償 (アニオンレドックス) を利用する電池材料は、次世代高エネルギー密度電池材料の候補として世界中で活発な研究開発競争が行われています。詳細は下記の論文を参照してください。

関連研究成果 (Publications)

Miho Sawamura, Sho Kobayakawa, Jun Kikkawa, Neeraj Sharma, Damian Goonetilleke, Aditya Rawal, Nanaka Shimada, Kentaro Yamamoto, Rina Yamamoto, Yingying Zhou, Yoshiharu Uchimoto, Koji Nakanishi, Kei Mitsuhara, Koji Ohara, Jiwon Park, Hye Ryung Byon, Hiroaki Koga, Masaki Okoshi, Toshiaki Ohta, and Naoaki Yabuuchi
“Nanostructured LiMnO₂ with Li₃PO₄ Integrated at the Atomic Scale for High-Energy Electrode Materials with Reversible Anionic Redox”
ACS Central Science, 6, 2326–2338 (2020).
DOI: 10.1021/acscentsci.0c01200

Yuki Kobayashi, Miho Sawamura, Sayaka Kondo, Maho Harada, Yusuke Noda, Masanobu Nakayama, Sho Kobayakawa, Wenwen Zhao, Aiko Nakao, Akira Yasui, Hongahally Basappa Rajendra, Keisuke Yamanaka, Toshiaki Ohta, and Naoaki Yabuuchi
“Activation and Stabilization Mechanisms of Anionic Redox for Li Storage Applications: Joint Experimental and Theoretical Study on Li₂TiO₃-LiMnO₂ Binary System”
Materials Today, 37, 43-55 (2020).
DOI: 10.1016/j.mattod.2020.03.002

Naoaki Yabuuchi, Masanobu Nakayama, Mitsue Takeuchi, Shinichi Komaba, Yu Hashimoto, Takahiro Mukai, Hiromasa Shiiba, Kei Sato, Yuki Kobayashi, Aiko Nakao, Masao Yonemura, Keisuke Yamanaka, Kei Mitsuhara, and Toshiaki Ohta
"Origin of stabilization and destabilization in solid-state redox reaction of oxide ions for lithium-ion batteries"
Nature Communications, 7, 13814 (2016).




　電気自動車の普及に伴い、急速充電可能であったり容量が減少しないといった、より高性能なリチウムイオン電池が必要とされています。研究室で従来利用されてきた層状構造ではなく、より強固な骨格構造を有する岩塩型構造の材料に着目し材料開発を行ってきました。その中でも研究室で発見されたバナジウムを含む岩塩型構造の材料は急速充放電可能な高性能電極材料として利用できるだけでなく、さらに、バナジウムイオンの特異的な反応により長寿命化も実現できることがわかりつつあります。詳細は下記の論文を参照してください。

関連研究成果 (Publications)
Ruijie Qi, Itsuki Konuma, Benoît D. L. Campéon, Yuko Kaneda, Masashi Kondo, and Naoaki Yabuuchi
“Highly Graphitic Carbon Coating on Li_1.25Nb_0.25V_0.5O₂ Derived from a Precursor with a Perylene Core for High-Power Battery Applications”
Chemistry of Materials, 34, 1946–1955 (2022).
DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c04426

Mizuki Nakajima and Naoaki Yabuuchi
Lithium-Excess Cation-Disordered Rocksalt-Type Oxide with Nano-Scale Phase Segregation: Li_1.25Nb_0.25V_0.5O₂
Chemistry of Materials, 29, 6927–6935 (2017).
DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b02343




　2021年度のわずか1年の間に世界中で640万台という数の電気自動車が販売されました。しかし、リチウムイオン電池の大量生産の結果として、リチウム資源の問題も顕在化してきており、資源獲得競争が激しくなっています。そこで、研究室ではリチウムの代わりとして資源が豊富なナトリウムイオンを利用する高性能な電池材料の研究を行っています。正極材料としてはマンガン系層状材料、負極材料としてはチタン系負極材料などの研究を行っており、リチウムイオン電池と比較してエネルギー密度は低いものの、わずか数分で充電できる電極材料や、1500サイクル充放電を行ってもほとんど劣化しないといったリチウム系材料よりも優れた特性を示す材料も発見しています。詳細は下記の論文を参照してください。

関連研究成果 (Publications)
Takuro Sato, Kazuki Yoshikawa, Wenwen Zhao, Tokio Kobayashi, Hongahally Basappa Rajendra, Masao Yonemura and Naoaki Yabuuchi
“Efficient Stabilization of Na Storage Reversibility by Ti Integration into O’3-type NaMnO₂”
Energy Materials Advances, 2021, 9857563, 12 pages (2021).
DOI: 10.34133/2021/9857563

Raizo Umezawa, Yuka Tsuchiya, Toru Ishigaki, Hongahally Basappa Rajendra, and Naoaki Yabuuchi
“P2-type layered Na_0.67Cr_0.33Mg_0.17Ti_0.5O₂ for Na storage applications”
Chemical Communications, 57, 2756-2759 (2021).
DOI: 10.1039/D1CC00304F

Tokio Kobayashia, Wenwen Zhao, Hongahally Basappa Rajendra, Keisuke Yamanaka, Toshiaki Ohta, and Naoaki Yabuuchi
“Nanosize Cation-Disordered Rocksalt Oxides: Na2TiO3-NaMnO2 Binary System”
Small, 15, 1902462 (6 pages) (2019).
DOI: 10.1002/smll.201902462




リチウムイオン電池は高エネルギー密度の蓄電池ですが、電解液として可燃性の有機溶媒を用いる必要があります。そのため、度々、電池の発火が火災事故の一因となっており、社会問題にもなっています。そこで、研究室では不燃性で安全な溶媒である水を電解液に用いた水系電池の研究も行っています。水を電解液として用いることでエネルギー密度は下がるものの、急速充電や優れた寿命などの付加価値を有する安全・安心な電池の開発も進めています。詳細は下記の論文を参照してください。

関連研究成果 (Publications)
Jeongsik Yun, Ryota Sagehashi, Yoshihiko Sato, Takuya Masuda, Satoshi Hoshino, Hongahally Basappa Rajendra, Kazuki Okuno, Akihisa Hosoe, Aliaksandr S. Bandarenka, and Naoaki Yabuuchi
“Nanosized and metastable molybdenum oxides as negative electrode materials for durable high-energy aqueous Li-ion batteries”
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 118, e2024969118, 7 pages (2021).
DOI: 10.1073/pnas.2024969118

Satoshi Hoshino, Alexey M. Glushenkov, Shinnosuke Ichikawa, Tetsuya Ozaki, Tokuo Inamasu, and Naoaki Yabuuchi
“Reversible Three-Electron Redox Reaction of Mo³⁺/Mo⁶⁺ for Rechargeable Lithium Batteries”
ACS Energy Letters, 2, 733–738 (2017).
DOI: 10.1021/acsenergylett.7b00037

　研究室ではこのようなリチウム・ナトリウムインサーション材料に関する研究を行っており、蓄電池の高性能化・多機能化に取り組んでいます。化石燃料に依存しない持続可能エネルギー社会の実現を目指して研究を行っています。