2024/07/14 更新

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カワイ コウスケ
川合 航右
所属
研究院(研究機関) スマート社会技術融合研究機構
職名
次席研究員(研究院講師)
学位
博士(工学) ( 2021年03月 東京大学 )
修士(工学) ( 2018年03月 東京大学 )
学士(工学) ( 2016年03月 京都大学 )
メールアドレス
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経歴

  • 2024年04月
    -
    継続中

    早稲田大学   スマート社会技術融合研究機構   次席研究員   研究院講師

  • 2021年07月
    -
    2024年04月

    早稲田大学   理工学術院総合研究所   次席研究員   研究院講師

  • 2021年04月
    -
    2021年06月

    早稲田大学   先進理工学部   日本学術振興会特別研究員PD

  • 2020年04月
    -
    2021年03月

    東京大学   大学院工学系研究科   日本学術振興会特別研究員DC2

  • 2016年10月
    -
    2021年03月

    東京大学   統合物質科学リーダー養成プログラム(MERIT)   コース生

学歴

  • 2018年04月
    -
    2021年03月

    東京大学   大学院工学系研究科   化学システム工学専攻  

  • 2016年04月
    -
    2018年03月

    東京大学   大学院工学系研究科   化学システム工学専攻  

  • 2012年04月
    -
    2016年03月

    京都大学   工学部   工業化学科  

所属学協会

  • 2023年01月
    -
    継続中

    米国セラミックス学会

  • 2019年01月
    -
    継続中

    公益社団法人 電気化学会

研究分野

  • 無機材料、物性   蓄電材料

受賞

  • 電気化学会第87回大会優秀学生発表賞

    2020年03月   公益社団法人 電気化学会  

 

論文

  • Valence study of Li(Ni0.5Mn0.5)1-xCox O2 and LiNi1-xCox O2: The role of charge transfer and charge disproportionation

    Daisuke Takegami, Kosuke Kawai, Miguel Ferreira-Carvalho, Sahana Rößler, Cheng En Liu, Chang Yang Kuo, Chun Fu Chang, Atsusa Minamida, Tatsuya Miyazaki, Masashi Okubo, Liu Hao Tjeng, Takashi Mizokawa

    Physical Review Materials   8 ( 5 )  2024年05月

     概要を見る

    The series of LiMO2 (M: transition metal) materials are highly relevant as cathode materials of Li-ion batteries. The stability of such systems remains an important factor for their usability in batteries, and depends strongly on the electronic configuration of the transition-metal ions. In particular, the promising class of multi-transition-metal systems exhibits complicated valence states due to intermetallic charge transfer and charge disproportionation. Here we perform a systematic study on the valence of the transition-metal ions using x-ray absorption spectroscopy on the M-L2,3 edges and O-K edges. In Li(Ni0.5Mn0.5)1-xCoxO2 we established that the valence is Co3+ and Ni0.52+Mn0.54+ throughout the whole series. Meanwhile, in LiNi1-xCoxO2 we found that the Ni displays a behavior consistent with a charge disproportionated negative charge transfer system, and that with increased concentration of Co3+, the disproportionation signal decreases. Since the number of O 2p holes also gets reduced, we infer that the material will also become more unstable.

    DOI

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  • Machine learning-assisted survey on charge storage of MXenes in aqueous electrolytes

    Kosuke Kawai, Yasunobu Ando, Masashi Okubo

    Small Methods     2400062  2024年03月  [査読有り]  [招待有り]

    担当区分:筆頭著者

    DOI

    Scopus

  • Iron-based catholytes for aqueous redox-flow batteries

    Atsushi Okazawa, Takayuki Kakuchi, Kosuke Kawai, Masashi Okubo

    APL Materials   11 ( 11 ) 110901  2023年11月  [査読有り]

     概要を見る

    Redox-flow batteries (RFBs) are promising electrochemical energy storage devices to load-level intermittent power from renewable energy. In particular, aqueous RFBs using aqueous electrolytes possess several advantages over nonaqueous ones, such as low fabrication cost, nontoxicity, safety, and environmental benignity. Therefore, developing high-performance, abundant, less-expensive iron-based catholytes for aqueous RFBs is essential toward their wide deployment in a power grid. In this Perspective, we summarize the recent progress of iron-based catholytes for aqueous RFBs. We emphasize that iron-based catholytes possess widely ranged redox potentials (−1.0 to 1.5 V vs standard hydrogen electrodes) and solubility in water (0.2–4.0 mol L−1), thereby providing a wide range of cell performance. The molecular design, such as ligand functionalization, counter ion mixing, and asymmetrization, allows for rationally improving solubility, redox potential, and energy density. Furthermore, we demonstrate a simple evaluation method of the redox potential of iron-based catholytes using the calculated energy levels of the lowest unoccupied molecular orbital of ligand molecules. Finally, we rationalize the design strategy of iron-based catholytes for advanced aqueous RFBs.

    DOI

    Scopus

  • High-Voltage Electrochemical Properties of Lithium-Rich Spinel Oxides

    Kosuke Kawai, Takaaki Sudayama, Daisuke Asakura, Jun Kikkawa, Eriko Watanabe, Masashi Okubo, Atsuo Yamada

    The Journal of Physical Chemistry C   127 ( 26 ) 12428 - 12434  2023年06月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

    DOI

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    3
    被引用数
    (Scopus)
  • Influence of surface termination groups on electrochemical charge storage of MXene electrodes

    Kosuke Kawai, Masaki Fujita, Ryosei Iizuka, Atsuo Yamada, Masashi Okubo

    2D Materials   10 ( 1 ) 014012  2022年11月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

    DOI

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    8
    被引用数
    (Scopus)
  • Kinetic square scheme in oxygen-redox battery electrodes

    Kosuke Kawai, Xiang-Mei Shi, Norio Takenaka, Jeonguk Jang, Benoit Mortemard de Boisse, Akihisa Tsuchimoto, Daisuke Asakura, Jun Kikkawa, Masanobu Nakayama, Masashi Okubo, Atsuo Yamada

    Energy & Environmental Science    2022年05月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    Kinetic formation of the peroxo-like O22− dimer is identified as the origin of a voltage hysteresis in oxygen-redox battery electrodes.

    DOI

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    26
    被引用数
    (Scopus)
  • Lithium-Rich O2-Type Li0.66[Li0.22Ru0.78]O2 Positive Electrode Material

    Hirohito Umeno, Kosuke Kawai, Shin-ichi Nishimura, Daisuke Asakura, Masashi Okubo, Atsuo Yamada

    Journal of The Electrochemical Society   169 ( 4 ) 040536 - 040536  2022年04月  [査読有り]

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    Increasing the energy density of lithium-ion batteries is an important step towards flexible electricity supply, which can be achieved by developing large-capacity positive electrodes. Lithium-rich oxides have been a longstanding research target because of their large capacity involving extra oxygen-redox reactions. In this work, we report the synthesis, electrochemical properties, electronic structure, and structural evolution of O2-type lithium-rich layered oxide Li1.22‒xRu0.78O2. A robust Ru‒O layered framework without Ru migration allows for unveiling the solid-state electrochemistry of O2-type lithium-rich layered oxides with possibility of a large yet stable extra capacity for oxygen-redox reaction. Using a combination of X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray absorption/emission spectroscopy, and in situ/ex situ X-ray diffraction, we clarified that O2-Li1.22‒xRu0.78O2 delivers a large capacity of 200 mAh g‒1 in association with Ru5+/Ru4+ and Ru4+/Ru3+ two-electron redox reactions under a solid-solution process, but with no contribution from the extra oxygen-redox reaction.

    DOI

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    2
    被引用数
    (Scopus)
  • Oxygen redox versus oxygen evolution in aqueous electrolytes: critical influence of transition metals

    Hirohito Umeno, Kosuke Kawai, Daisuke Asakura, Masashi Okubo, Atsuo Yamada

    Advanced Science     2104907  2022年02月  [査読有り]

  • Square-Scheme Electrochemistry in Battery Electrodes

    Masashi Okubo, Kosuke Kawai, Zihan Ma, Atsuo Yamada

    Accounts of Materials Research   3 ( 1 ) 33 - 41  2021年11月  [査読有り]

  • 4.7 V Operation of the Cr4+/Cr3+ Redox Couple in Na3Cr2(PO4)2F3

    Kosuke Kawai, Daisuke Asakura, Shin-ichi Nishimura, Atsuo Yamada

    Chemistry of Materials   33 ( 4 ) 1373 - 1379  2021年02月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    Increasing the energy density of sodium-ion battery systems requires highvoltage cathode materials to compensate for the inherently higher redox potential of the Na/Na+ couple compared to the Li/Li+ couple (difference of 0.3 V). Distinct from the high-voltage (>4.2 V) operation using late transition metals (Co-3+Co-/(2+) or Ni3+/Ni2+) in previously reported polyanionic compounds, here we identify the record-high Cr4+/Cr3+ (3d(2)/3d(3)) redox potential in Na3-xCr2(PO4)(2)F-3 (0 < x < 1) at 4.7 V vs Na/Na+. Despite higher d-band position at early 3d transition metal with smaller effective nuclear charge compared to late transition metals, Cr 3d(t(2g)) in less than half-filled state possesses no energy level increments arising from crystal field splitting and intra-orbital Coulombic penalty, leading to extremely high voltages of the Cr4+/Cr3+ (3d(2)/3d(3)) redox couple.

    DOI

    Scopus

    9
    被引用数
    (Scopus)
  • Nonpolarizing oxygen-redox capacity without O-O dimerization in Na2Mn3O7

    Akihisa Tsuchimoto, Xiang-Mei Shi, Kosuke Kawai, Benoit Mortemard de Boisse, Jun Kikkawa, Daisuke Asakura, Masashi Okubo, Atsuo Yamada

    Nature Communications   12 ( 1 ) 631  2021年01月  [査読有り]

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    <title>Abstract</title>Reversibility of an electrode reaction is important for energy-efficient rechargeable batteries with a long battery life. Additional oxygen-redox reactions have become an intensive area of research to achieve a larger specific capacity of the positive electrode materials. However, most oxygen-redox electrodes exhibit a large voltage hysteresis &gt;0.5 V upon charge/discharge, and hence possess unacceptably poor energy efficiency. The hysteresis is thought to originate from the formation of peroxide-like O22− dimers during the oxygen-redox reaction. Therefore, avoiding O-O dimer formation is an essential challenge to overcome. Here, we focus on Na2-<italic>x</italic>Mn3O7, which we recently identified to exhibit a large reversible oxygen-redox capacity with an extremely small polarization of 0.04 V. Using spectroscopic and magnetic measurements, the existence of stable O−• was identified in Na2-<italic>x</italic>Mn3O7. Computations reveal that O−• is thermodynamically favorable over the peroxide-like O22− dimer as a result of hole stabilization through a (σ + π) multiorbital Mn-O bond.

    DOI

    Scopus

    59
    被引用数
    (Scopus)
  • Stabilization of a 4.5 V Cr4+/Cr3+ redox reaction in NASICON-type Na3Cr2(PO4)3 by Ti substitution

    Kosuke Kawai, Daisuke Asakura, Shin-ichi Nishimura, Atsuo Yamada

    Chemical Communications   55 ( 91 ) 13717 - 13720  2019年09月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    <p>NASICON-type Na2CrTi(PO4)3 offers a stable redox reaction of Cr4+/Cr3+ at 4.5 V <italic>vs.</italic> Na/Na+.</p>

    DOI

    Scopus

    26
    被引用数
    (Scopus)
  • High-Voltage Cr4+/Cr3+ Redox Couple in Polyanion Compounds

    Kosuke Kawai, Wenwen Zhao, Shin-ichi Nishimura, Atsuo Yamada

    ACS Applied Energy Materials   1 ( 3 ) 928 - 931  2018年02月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

    DOI

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    63
    被引用数
    (Scopus)

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講演・口頭発表等

  • Proton interaction of Mo3Nb2O14 anode in aqueous batteries

    Kosuke Kawai  [招待有り]

    International Symposium on ‘Green Technologies for Excellence (GteX)’ for Young Researchers  

    発表年月: 2024年06月

    開催年月:
    2024年06月
     
     
  • Data storage and analysis for optimal design of electrochemical energy storage devices

    Kosuke Kawai  [招待有り]

    Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum Surface Science 2023  

    発表年月: 2023年10月

    開催年月:
    2023年10月
    -
    2023年11月
  • Peroxide Formation for Voltage Hysteresis in O2-Type Lithium-Rich Layered Oxides

    K. Kawai, X.-M. Shi, N. Takenaka, J. Jang, B. Mortemard de Boisse, A. Tsuchimoto, D. Asakura, J. Kikkawa, M. Nakayama, M. Okubo, A. Yamada

    243rd ECS Meeting  

    発表年月: 2023年05月

    開催年月:
    2023年05月
    -
    2023年06月
  • Exploration of cathode materials for high energy density rechargeable batteries

    Kosuke Kawai, Atsuo Yamada  [招待有り]

    47th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites  

    発表年月: 2023年01月

    開催年月:
    2023年01月
     
     

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 高速・高密度電荷貯蔵を可能にするMXene-電解液界面の設計

    日本学術振興会  科研費 若手研究

    研究期間:

    2024年04月
    -
    2027年03月
     

  • フッ素フリー合成法により得られたMXeneの蓄電機能創出

    公益財団法人 プロテリアル材料科学財団  第38回材料科学研究助成金

    研究期間:

    2024年04月
    -
    2025年03月
     

  • 分子性イオンの導入により誘起される層状化合物MXeneの蓄電機能発現

    公益財団法人 池谷科学技術振興財団  2023年度 単年度研究助成

    研究期間:

    2023年04月
    -
    2024年03月
     

  • ナノ空間エンジニアリングに基づくレドックスキャパシタ電極の創製

    公益財団法人 徳山科学技術振興財団  2023年度 スタートアップ助成

    研究期間:

    2023年04月
    -
    2024年03月
     

  • 電極-電解液界面制御に基づく層状遷移金属炭化物MXene負極の創製

    公益財団法人 東電記念財団  2022年度研究助成(一般研究)

    研究期間:

    2023年04月
    -
    2024年03月
     

  • 層状遷移金属炭化物MXeneを用いた全固体電池の開発

    公益財団法人 岩谷直治記念財団  第49回(2022年度)研究助成

    研究期間:

    2023年04月
    -
    2024年03月
     

  • 水系蓄電デバイスの実現に向けた高容量Wadsley–Roth型酸化物負極の開発

    公益財団法人 大倉和親記念財団  2022年度 研究助成

    研究期間:

    2022年12月
    -
    2024年03月
     

  • 遷移金属層状炭化物を用いた水系亜鉛二次電池の開発

    早稲田大学  三菱マテリアルー早大理工包括協定にともなう2021年度研究助成

    研究期間:

    2021年08月
    -
    2022年02月
     

  • 安定な酸素レドックス反応を発現する新規正極材料の開発

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費

    研究期間:

    2020年04月
    -
    2021年06月
     

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