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大学院理工学研究科 数理・電気電子情報学専攻 電気電子工学コース |
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出身大学院 【 表示 ／ 非表示 】
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2021年04月-2023年09月
秋田大学 理工学研究科 総合理工学専攻 博士後期課程 修了
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2017年04月-2019年03月
秋田大学 理工学研究科 数理・電気電子情報学専攻 博士前期課程 修了
職務経歴（学内） 【 表示 ／ 非表示 】
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2024年04月-継続中
秋田大学 大学院理工学研究科 数理・電気電子情報学専攻 電気電子工学コース 助教
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2021年04月-2024年03月
秋田大学 電動化システム共同研究センター 特任助教
学位論文 【 表示 ／ 非表示 】
研究等業績 【 表示 ／ 非表示 】
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Hard carbon/graphite composite anode for durable lithium-ion capacitor
Cheng Jie Chng, Xinyu Ma, Yusuke Abe, Seiji Kumagai
Journal of Energy Storage ( ELSEVIER ) 92 112913 2024年05月 [査読有り]
研究論文（学術雑誌） 国内共著
Li-ion capacitors (LICs), characterized by high energy and power densities, are widely regarded as promising electrochemical energy-storage devices. However, the application of these devices is limited by the poor stability of anode materials and inferior electrochemical performance owing to asymmetrical kinetics between the anode and cathode. To address these concerns, this study aimed at developing a highly stable composite anode material by tuning the mass ratio between graphite (Gr) and hard carbon (HC). When subjected to thrice-repeated deep prelithiation, the composite anode exhibited enhanced cycling performance without significant deterioration in the capacity. The incorporation of HC in the anode effectively improved the cyclability of Gr, and the thrice-repeated deep prelithiation strategy facilitated the increase in LIC capacity. The LIC using the composite anode exhibited an energy density of 48.5 Wh kg−1 at a power density of 2170 W kg−1, surpassing those of Gr (33.8 Wh kg−1 at 2030 W kg−1) and HC (35.7 Wh kg−1 at 2230 W kg−1) LICs. The enhanced LIC retained 80.5 % of its initial energy density after 10,000 cycles, a significantly higher value than those of LICs based on Gr (26.1 %) and HC (73.3 %). In summary, deep prelithiation can enhance the overall performance of LICs to achieve improved cyclability and capacity compared with its semi-shallow prelithiated counterpart. This study provides a cost-effective solution for the design of LIC anode materials with high rate and long cycling performances. © 2024 The Authors
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Cathode active materials using rare metals recovered from waste lithium-ion batteries: A review
Yusuke Abe, Ryoei Watanabe, Tatsuya Yodose, Seiji Kumagai
Heliyon ( ELSEVIER ) 10 ( 7 ) e28145 2024年03月 [査読有り]
研究論文（学術雑誌） 国内共著
Large-scale lithium-ion batteries (LIBs) are overtaking as power sources for electric vehicles and grid-scale energy-storage systems for renewable sources. Accordingly, large amounts of LIBs are expected to be discarded in the near future. Recycling technologies for waste LIBs, particularly for valuable rare metals (Li, Co, and Ni) used in cathode active materials, need to be developed to construct continuous LIB supply chains. Various recovery methodologies, such as pyrometallurgy, hydrometallurgy, and direct recycling, as well as their advantages, disadvantages, and technical features, are briefly introduced. We review the electrochemical performances of these cathode active materials based on recycled rare metals from LIB waste. Moreover, the physicochemical properties and electrochemical performance of the cathode active materials with impurities incorporated during recycling, which have high academic significance, are outlined. In hydrometallurgy-based LIB recycling, the complete removal of impurities in cathode active materials is not realistic for the mass and sustainable production of LIBs; thus, optimal control of the impurity levels is of significance. Meanwhile, the studies on the direct recycling of LIB showed the necessity of almost complete impurity removal and restoration of physicochemical properties in cathode active materials. This review provides a survey of the technological outlook of reusing cathode active materials from waste LIBs.
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Takuya Eguchi, Keiichiro Sawada, Yusuke Abe, Seiji Kumagai
Journal of Power Sources ( Elsevier ) 580 233407 2023年07月 [査読有り]
研究論文（学術雑誌） 国内共著
Si is utilized as the active anode material of lithium-ion capacitors (LICs) to increase their energy and power densities. The main drawback of industrial Si-based LICs is their insufficient cycling stability resulting from the limited life of Si anodes. In this study, cell design parameters required for 10,000 stable cycles were determined using inexpensive unmodified 2 μm Si particles and a polyimide binder. Three cathode-to-anode capacity ratios were investigated by varying the thickness of a Si coating layer at a constant mass of the cathode fabricated from activated carbon (AC). The thickest Si coating with a thickness of 48 μm resulted in the anode/cathode capacity ratio of 56.4, which was calculated based on the apparent Si specific capacity of 3000 mAh g-1 and AC specific capacity of 60 mAh g-1. Conversely, the thinnest Si coating with a thickness of 10 μm exhibited a capacity ratio of 14.2 and highest energy density of 97.4 Wh kg-1 at a power density of ~1 kW kg-1 during the first cycle, and the highest cycling stability corresponding to a retention of 78.3% after 30,000 cycles. Additionally, the aging behavior of the produced anodes and cathodes was examined via postmortem material characterization.
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Effects of Excessive Prelithiation on Full-Cell Performance of Li-Ion Batteries with a Hard-Carbon/Nanosized-Si Composite Anode
Yusuke Abe, Ippei Saito, Masahiro Tomioka, Mahmudul Kabir, Seiji Kumagai
Batteries ( MDPI ) 8 ( 11 ) 210 2022年11月 [査読有り]
研究論文（学術雑誌） 国内共著
The effects of excessive prelithiation on the full-cell performance of Li-ion batteries (LIBs) with a hard-carbon/nanosized-Si (HC/N-Si) composite anode were investigated; HC and N-Si simply mixed at mass ratios of 9:1 and 8:2 were analyzed. CR2032-type half- and full-cells were assembled to evaluate the electrochemical LIB anode behavior. The galvanostatic measurements of half-cell configurations revealed that the composite anode with an 8:2 HC/N-Si mass ratio exhibited a high capacity (531 mAh g−1) at 0.1 C and superior current-rate dependence (rate performance) at 0.1–10 C. To evaluate the practical LIB anode performance, the optimally performing composite anode was used in the full cell. Prior to full-cell assembly, the composite anodes were prelithiated via electrochemical Li doping at different cutoff anodic specific capacities (200–600 mAh g−1). The composite anode was paired with a LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 cathode to construct full-cells, the performance of which was evaluated by conducting sequential rate and cycling performance tests. Prelithiation affected only the cycling performance, without affecting the rate performance. Excellent capacity retention was observed in the full-cells with prelithiation conducted at cutoff anodic specific capacities greater than or equal to 500 mAh g−1.
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Electrochemical performance of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode recovered from pyrolysis residue of waste Li-ion batteries
Yusuke Abe, Kensuke Sawa, Masahiro Tomioka, Ryoei Watanabe, Tatsuya Yodose, Seiji Kumagai
Journal of Electroanalytical Chemistry 922 116761 2022年09月 [査読有り]
研究論文（学術雑誌） 国内共著
A methodology for time-effective, automatic, and safe extraction of cathode active materials from waste lithium-ion battery (LIB) stacks without complex mechanical disassembly and using electrically and chemically harmless processes can be beneficial for the sustainable fabrication of LIB. Herein, we present a feasibility study on the recovery of ternary Li transition metal oxide (LTMO) cathode active materials from the residue of a waste automotive LIB stack using pyrolysis at 800 °C without exposure to air. Sequential processes from pyrolysis, residue grinding, classification (sieving), wet magnetic separation, acid leaching, hydroxide precipitation, and desalination to drying were used to prepare the precursor of the cathode active material. The precursor was mixed with Li2CO3 and sintered in air at 800 °C, which yielded LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM) with metallic impurities of Al, Cu, and Fe at a total of 4 mass% as well as excess Li and residual F. The electrochemical performance of waste LIB-derived LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (W-NCM) cathode active materials was evaluated in half-cell and full-cell configurations and compared with that of a commercial LIB cathode active material of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM) used in automobile applications. The Li-ion extraction/insertion specific capacity of W-NCM in the half-cell was 120 mAh/g at 15 mA g−1, which was 70.4 % that of NCM. The specific capacity of W-NCM in a full-cell using a graphite anode at 0.1 C was 85 mAh/g, which was 69.1 % that of NCM. However, W-NCM in the full-cell exhibited much higher capacity retention (91.2 %) after 1000 charge–discharge cycles at 2 C, while the capacity retention of NCM was 34.0 %. The excellent cycling performance of W-NCM was attributed to the co-existence of metallic impurities. The proposed cathode recovery method may be further explored for applications in large-scale and automatic recycling of waste LIBs.
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使用済み車載用リチウムイオン電池の焼却無害化処理とその熱分解残さから再生した正極材料
安部 勇輔, 淀瀬 達也，渡邊 亮栄，熊谷 誠治
MATERIAL STAGE 2023年9月号 ( 技術情報協会 ) 23 ( 6 ) 59 - 63 2023年09月
総説・解説（学術雑誌） 国内共著
◆原著論文【 表示 ／ 非表示 】
◆総説・解説【 表示 ／ 非表示 】
産業財産権 【 表示 ／ 非表示 】
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再生正極材およびその製造方法，ならびに再生正極材の使用方法，再生正極，およびリチウムイオン二次電池
特許
特願 2022-165994 特開 2023-183355
出願日： 2022年10月17日
公開日： 2023年12月27日
淀瀬達也，渡邊亮栄，森田宜典，熊谷誠治，安部勇輔
学術関係受賞 【 表示 ／ 非表示 】
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2023年度電気学会優秀論文発表賞B賞
2024年04月26日 電気学会 ハイニッケル系リチウムイオン電池正極の大電流サイクル劣化挙動
受賞者： 安部 勇輔 -
日本素材物性学会優秀論文発表賞
2021年06月24日 日本素材物性学会 もみ殻炭を用いるLiイオン電池フルセルの充放電特性に及ぼすシリカの影響
受賞者： 安部 勇輔 -
電気学会優秀論文発表賞
2018年04月 電気学会 長寿命LiFePO4／グラファイト系リチウムイオン電池の正負極容量設計
受賞者： 安部 勇輔
科研費（文科省・学振）獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】
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多孔質炭素上に形成される超高エネルギー密度蓄電状態の電気二重層
基盤研究(B)
研究期間: 2022年04月 - 2025年03月 代表者: 熊谷 誠治
溶媒が存在せずイオンのみで構成されるイオン液体を電解液に，比表面積が3000m2/gを超える多孔質炭素を電極材料に採用した電気二重層キャパシタセルを組み立てる。印加セル電圧を3.8V以上，動作温度を室温以上にすることで，実製品のエネルギー密度の10倍である100Wh/kgを超える電気二重層を形成させる。そして，超高エネルギー密度の電気二重層の形成および解放挙動，その電気化学的特性，さらにそれらに影響を及ぼす諸因子（細孔構造やイオン液体種）の解明を行う。インピーダンス分析と等価回路シミュレーションを組み合わせて，電気二重層を内層，拡散層，バルク層毎に分離して，それぞれの挙動および特性解析を行う。
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もみ殻炭はLiイオン電池負極の活物質として有望か？
研究活動スタート支援
研究期間: 2021年08月 - 2023年03月 代表者: 安部 勇輔
稲作過程で排出されるもみ殻を不活性雰囲気下にて加熱処理すると，非晶質な炭素および酸化ケイ素の領域から成る炭化物を創成することが出来る。本研究申請者はもみ殻由来炭化物をLiイオン電池用負極活物質として応用することを目指し，そのもみ殻に対して炭化後の非晶質酸化ケイ素の部分的な除去やLiイオン電池セル組立て前のLiドープなど各種条件を最適化することで，Liイオン電池用途として有望なもみ殻由来炭化物を追究しようと構想していた。非晶質酸化ケイ素を部分的に除去した後のもみ殻由来炭化物の物性がLiイオン電池用負極の諸性能に与える影響を，酸化ケイ素の含有率測定や細孔分布測定などの物性評価により明らかにする。もみ殻由来炭化物の物性を評価しつつ，そのもみ殻由来炭化物の負極を組み込んだLiイオン電池の充放電動作を充放電試験により評価する。そして，もみ殻はLiイオン電池用途として有望な新規活物質であることを見出す。
その他競争的資金獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】
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活物質塗工層を高密度化した高エネルギー・高出力Ni系リチウムイオン電池の開発
提供機関: 民間財団等 公益財団法人JKA2023年度補助事業（若手研究）
研究期間： 2023年04月 - 2024年03月 代表者: 安部 勇輔
資金支給機関区分：民間財団等
受託研究受入実績 【 表示 ／ 非表示 】
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使用済み太陽光パネル由来シリコンの蓄電池電池材料へのリサイクル
提供機関: 一般受託研究
研究期間：
2023年08月-2024年02月代表者: 熊谷 誠治
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廃電池リサイクル
提供機関: 輸送機系企業 一般受託研究
研究期間：
2021年11月-2022年03月代表者: 熊谷 誠治
共同研究実施実績 【 表示 ／ 非表示 】
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永久磁石同期モーター試作
提供機関: モーター製造系企業，国立大学 民間企業 国内共同研究
研究期間： 2022年05月 - 継続中 代表者: 田島 克文
連携研究者：平山 寛, 安部 勇輔，半田 修士
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国内産バイオマスからの活性炭製造
提供機関: 化学系企業 民間企業 学内共同研究
研究期間： 2022年04月 - 継続中 代表者: 熊谷 誠治
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航空機グリッドシステム
提供機関: 私立大学 その他 国内共同研究
研究期間： 2022年02月 - 2022年03月 代表者: 田島 克文
連携研究者：秋永 剛, 安部 勇輔
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リサイクル正極
提供機関: 環境系企業 民間企業 国内共同研究
研究期間： 2021年04月 - 継続中 代表者: 熊谷 誠治
寄附金・講座・研究部門 【 表示 ／ 非表示 】
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一般社団法人東光虻川ものつくり財団令和5年度研究助成金
2023年07月
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公益財団法人スズキ財団２０２２年度科学研究助成（若手）
2023年03月
学会等発表 【 表示 ／ 非表示 】
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低温環境下のリチウムポリマー電池の状態診断
西潟 憲悟，安部 勇輔，熊谷 誠治
2024年電気関係学会東北支部連合大会 (秋田県立大学) 2024年08月 - 2024年08月
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ガーネット型酸化物を用いた電解質部材の焼結特性と全固体電池への応用
安部 勇輔，熊谷 誠治
2024年電気関係学会東北支部連合大会 (秋田県立大学) 2024年08月 - 2024年08月
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イオン液体を電解液に用いた電気二重層キャパシタの 蓄電特性に及ぼす電極活性炭の影響
千田 禎喜，安部 勇輔，熊谷 誠治
2024年電気関係学会東北支部連合大会 (秋田県立大学) 2024年08月 - 2024年08月
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Electrochemical performance of graphite/nano-silicon LIC composite anodes
チェン チェンジェ，馬 欣宇，安部 勇輔，熊谷 誠治
2024年電気関係学会東北支部連合大会 (秋田県立大学) 2024年08月 - 2024年08月
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Impact of Type of Anode Material on the Charging and Discharging Performance of Lithium-ion Battery Using Ni-rich Densified Cathode
Yusuke Abe, Yuki Kumagai, Eito Takahashi, Seiji Kumagai
The International Council of Electrical Engineering Conference 2024 (北九州国際会議場，日本) 2024年07月 - 2024年07月
共同研究希望テーマ 【 表示 ／ 非表示 】
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リチウムイオン電池およびその電池材料の特性評価
共同研究実施形態 : 産学連携、民間を含む他機関等との共同研究等を希望する
産学連携協力可能形態 : その他
担当授業科目（学内） 【 表示 ／ 非表示 】
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2022年06月-継続中
地域産業プロジェクト演習
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2022年04月-継続中
電気電子工学実験II
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2021年09月-継続中
電気電子工学実験Ⅲ
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2023年04月-継続中
プロジェクト実践I・II
教育活動に関する受賞 【 表示 ／ 非表示 】
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日本素材物性学会優秀論文発表賞
2024年06月 日本素材物性学会
受賞者： Cheng Jie Chng -
2023年電気学会優秀論文発表賞
2024年03月 電気学会
受賞者： 遠藤 幸太郎 -
日本素材物性学会優秀論文発表賞
2023年06月 日本素材物性学会
受賞者： 遠藤 幸太郎 -
日本素材物性学会優秀論文発表賞
2023年06月 日本素材物性学会
受賞者： 熊谷 悠希 -
令和4年電気学会優秀論文発表賞
2023年04月 電気学会
受賞者： 澤 賢佑
学会・委員会等活動 【 表示 ／ 非表示 】
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日本素材物性学会
2024年06月令和6年度（第34回）年会 Bルーム8：30～10：30セッション座長
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日本素材物性学会
2023年06月令和5年度（第33回）年会 Aルーム9：00～10：15セッション座長
学外の社会活動（高大・地域連携等） 【 表示 ／ 非表示 】
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秋田大学 サイエンスラボ （秋田大学 理工学部1号館311）
2023年12月アルミラミネートフィルムをセル外装とした，ラミネート型リチウムイオン電池を試作する。また，試作したリチウムイオン電池をカプセル型直流モーターあるいはLED照明に接続して，負荷動作実験によりリチウムイオン電池を試作できたことを体験してもらう。
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秋田大学 サイエンスラボ （秋田大学 理工学部1号館311）
2023年09月アルミラミネートフィルムをセル外装とした，ラミネート型リチウムイオン電池を試作する。また，試作したリチウムイオン電池をクリップモーターあるいはLED照明に接続して，負荷動作実験によりリチウムイオン電池を試作できたことを体験してもらう。
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第20回 東北地域研究交流会
東北大学 先端電力工学共同研究口座 （東北大学 青葉山キャンパス）
2022年11月 -
秋田大学 サイエンスラボ （秋田大学 理工学部1号館）
2021年12月リチウムイオン電池の試作，リチウムイオン電池でDCモータの駆動あるいはLEDライト点灯の実験
メディア報道 【 表示 ／ 非表示 】
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東光ものつくり財団「活性化の原動力に」高校，大学６校研究助成金３６０万円贈呈
2023年07月26日
北鹿新聞
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秋田大学とDOWA系，使用済みリチウムイオン電池から正極材リサイクル
2022年12月02日
日経xTECH
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DOWAエコ、秋田大と正極材リサイクルに成功 使用済み車載用リチウム電池から回収
2022年11月15日
日刊工業新聞
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使用済み車載リチウムイオン電池から正極材リサイクルDOWAら
2022年11月09日
環境ビジネスオンライン
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DOWA・秋田大 正極材リサイクルに成功
2022年11月08日
日刊産業新聞