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A Novel, Completely Solid, Rechargeable Air Battery

著者: contributor
2023年6月13日 14:07

A Novel, Completely Solid, Rechargeable Air Battery

 A benzoquinone-based negative electrode and solid Nafion polymer electrolyte are used in this first-of-its-kind battery

Solid-state batteries use solid electrodes and solid electrolytes, unlike the more commonly known lithium-ion batteries, which use liquid electrolytes. Solid-state batteries overcome various challenges associated with liquid-based batteries, such as flammability, limited voltage, unstable reactants, and poor long-term cyclability and strength. Making advances in this field, researchers recently demonstrated an all-solid-state rechargeable air battery composed of a redox-active organic negative electrode and a proton-conductive polymer electrolyte.

[Image Title] All-solid-state rechargeable air battery with redox-active organic negative electrode. [Image Caption] The battery, which uses a polymeric dihydroxy-benzoquinone-based negative electrode and a Nafion-based solid electrolyte, exhibits high Coulombic efficiency and discharge capacity.

Metals are typically used as active materials for negative electrodes in batteries. Recently, redox-active organic molecules, such as quinone- and amine-based molecules, have been used as negative electrodes in rechargeable metal–air batteries with oxygen-reducing positive electrodes. Here, protons and hydroxide ions participate in the redox reactions. Such batteries exhibit high performance, close to the maximum capacity that is theoretically possible. Furthermore, using redox-active organic molecules in rechargeable air batteries overcomes problems associated with metals, including the formation of structures called ‘dendrites,’ which impact battery performance, and have negative environmental impact. However, these batteries use liquid electrolytes—just like metal-based batteries—which pose major safety concerns like high electrical resistance, leaching effects, and flammability.

Now, in a new study published in Angewandte Chemie International Edition on May 2, 2023, a group of Japanese researchers have developed an all-solid-state rechargeable air battery (SSAB) and investigated its capacity and durability. The study was led by Professor Kenji Miyatake from Waseda University and the University of Yamanashi, and co-authored by Professor Kenichi Oyaizu from Waseda University.

The researchers chose a chemical called 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ) and its polymer poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene) (PDBM) as active materials for the negative electrode due to their stable and reversible redox reactions in acidic conditions. In addition, they utilized a proton-conductive polymer called Nafion as the solid electrolyte, thereby replacing conventional liquid electrolytes. “To the best of my knowledge, no air batteries based on organic electrodes and solid polymer electrolyte have been developed yet,” says Miyatake.

After the SSAB was in place, the researchers experimentally assessed its charge–discharge performance, rate characteristics, and cyclability. They found that unlike typical air batteries that use a metallic negative electrode and an organic liquid electrolyte, the SSAB did not deteriorate in the presence of water and oxygen. Furthermore, replacing the redox-active molecule DHBQ with its polymeric counterpart PDBM formed a better negative electrode. While the per gram-discharge capacity of the SSAB-DHBQ was 29.7 mAh, the corresponding value of the SSAB-PDBM was 176.1 mAh, at a constant current density of 1 mAcm-2.

The researchers also found that the coulombic efficiency of SSAB-PDBM was 84% at 4 C rate, which gradually decreased to 66% at 101 C rate. While the discharge capacity of SSAB-PDBM reduced to 44% after 30 cycles, by increasing the proton-conductive polymer content of the negative electrode, the researchers could significantly improve it to 78%. Electron microscopic images confirmed that the addition of Nafion improved the performance and durability of the PDBM-based electrode.

This study demonstrates the successful operation of an SSAB comprising redox-active organic molecules as the negative electrode, a proton-conductive polymer as the solid electrolyte, and an oxygen-reducing, diffusion type positive electrode. The researchers hope that it will pave the way for further advancements. “This technology can extend the battery life of small electronic gadgets such as smartphones and eventually contribute to realizing a carbon-free society,” concludes Miyatake.

Reference

Authors

Makoto Yonenaga1, Yusuke Kaiwa2, Kouki Oka2,3, Kenichi Oyaizu2, and Kenji Miyatake1

Title of original paper

All-Solid-State Rechargeable Air Batteries Using Dihydroxybenzoquinone and Its Polymer as the Negative Electrode

Journal

Angewandte Chemie International Edition

DOI

10.1002/anie.202304366

Affiliations

1Clean Energy research Center, Fuel Cell Nanomaterials Center, University of Yamanashi
2Department of Applied Chemistry, Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
3Center for Future Innovation (CFI) and Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka University

Funding Information

This work was partly supported by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan, through Grants-in-Aid for Scientific Research (18H05515, 23H02058), MEXT Program: Data Creation and Utilization Type Material Research and Development Project (JPMXP1122712807), and JKA promotion funds from AUTORACE.

About Waseda University

Located in the heart of Tokyo, Waseda University is a leading private research university that has long been dedicated to academic excellence, innovative research, and civic engagement at both the local and global levels since 1882. The University has produced many changemakers in its history, including nine prime ministers and many leaders in business, science and technology, literature, sports, and film. Waseda has strong collaborations with overseas research institutions and is committed to advancing cutting-edge research and developing leaders who can contribute to the resolution of complex, global social issues. The University has set a target of achieving a zero-carbon campus by 2032, in line with the Sustainable Development Goals (SDGs) adopted by the United Nations in 2015.

To learn more about Waseda University, visit https://www.waseda.jp/top/en

About Professor Kenji Miyatake

Kenji Miyatake received his Ph.D. degree in chemistry from Waseda University in 1996. He was a Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) postdoctoral fellow at McGill University from 1999 to 2001. In 2001, he was offered an associate professor position at the Clean Energy Research Center at the University of Yamanashi, where he currently serves as a professor. He also holds a professor position in his alma mater since 2020. He is also a Fellow of the Royal Society of Chemistry.

[Image Title] A schematic representation of the simplified cell configuration and cell reactions of the dihydroxy-benzoquinone-based solid-state air battery. [Image Caption] Researchers have developed an all-solid-state rechargeable air battery with a dihydroxy-benzoquinone-based organic negative electrode and Nafion polymer electrolyte.

 

「Immiscibility-driven Folding in Periodically Grafted Amphiphilic Polymer」(2023/7/18)

著者: staff
2023年6月8日 17:00

演題:Immiscibility-driven Folding in Periodically Grafted Amphiphilic Polymer

 

日時:2023年7月18日(火)9:00-10:40

 

会場:西早稲田キャンパス 55S号館 510号室

 

講師:Ramakrishnan Subramaniam(Indian Institute of Science 教授)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:先進理工学研究科 応用化学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「海洋遺伝資源および塩基配列データの利用に関する国際的規制」(2023/6/20)

著者: staff
2023年6月7日 10:51

演題:海洋遺伝資源および塩基配列データの利用に関する国際的規制

 

日時:2023年6月20日(火) 15:00 – 16:40

 

会場:早稲田大学 120-5号館 121会議室

 

講師:本田 悠介(神戸大学大学院 海事科学研究科 准教授)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:早稲田大学 先進理工学部 生命医科学科

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「臓器老化モデルマウスを用いたファンクショナルフードの機能性解析」(2023/6/14)

著者: staff
2023年6月5日 10:03

演題:臓器老化モデルマウスを用いたファンクショナルフードの機能性解析

 

日時:2023年6月14日(水)10:00-11:40

 

会場:西早稲田キャンパス 55号館S棟 601号室

 

講師:清水 孝彦(国立長寿医療研究センター 老化ストレス応答研究PT プロジェクトリーダー)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:先進理工学研究科 化学・生命化学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「Controllable Generative AI for the Metaverse and VFX」(2023/6/1)

著者: staff
2023年5月22日 11:23

演題:Controllable Generative AI for the Metaverse and VFX

 

日時:2023年6月1日(木)15:00-16:40

 

会場: 早稲田大学 121 号館 コマツ 100 周年記念ホール

 

講師:Hao Li

(CEO/Co-Founder Pinscreen Associate Professor, Mohamed bin Zayed University of Artificial Intelligence (MBZUAI))

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へ

 

主催:先進理工学研究科 物理学及応用物理学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「エネルギーと物質と情報を通して,生命を知る(仮題)」(2023/6/29)

著者: staff
2023年5月15日 16:33

演題:「エネルギーと物質と情報を通して,生命を知る」(仮題)

 

日時:2023年6月29日(木)15:05-16:45

 

会場:西早稲田キャンパス 52号館 3階302教室

 

講師:伏見 譲(埼玉大学(名誉教授))

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:先進理工学研究科 応用化学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「Translational Chemical Biology」(2023/6/6)

著者: staff
2023年5月15日 16:30

「Translational Chemical Biology」(2023/6/6)

 

演題:Translational Chemical Biology

 

日時:2023年6月6日(火)16:30-18:10

 

会場:西早稲田キャンパス 62号館森村記念ラウンジ (62号館1階)

 

講師:Xiaoguang Lei(北京大学 教授)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:先進理工学研究科 応用化学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「Development of Highly Efficient Palladium Nanocatalysts for the Heterogeneous Suzuki−Miyaura Reaction」(2023/6/2)⇒中止

著者: staff
2023年5月15日 16:27

演題:Development of Highly Efficient Palladium Nanocatalysts for the Heterogeneous Suzuki−Miyaura Reaction ⇒ 講師都合により中止となりました

 

日時:2023年6月2日(金)17:00-18:40    ⇒ 中止となりました

 

会場:西早稲田キャンパス 62W号館 1階大会議室A

 

講師:Shiguang PAN(Lecturer (講師) School of Chemistry, Tiangong University)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:先進理工学研究科 化学・生命化学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「Nonlocal modeling, analysis and computation: some recent development」(2023/5/25)

著者: staff
2023年5月10日 15:14

演題:Nonlocal modeling, analysis and computation: some recent development

 

日時:2023年5月25日(木)16:00-17:40

 

会場:西早稲田キャンパス 63号館2階 05会議室

 

講師:Qian Du  (コロンビア大学 教授)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:基幹理工学部 応用数理学科

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

【5月24日(水)12:30~13:10開催】PEP卓越大学院プログラム2023年9月(6期生)・2024年4月(7期生)進入/編入 募集説明会のお知らせ

著者: staff
2023年5月8日 16:34

文部科学省卓越大学院プログラム『パワー・エネルギー・プロフェッショナル(PEP)育成プログラム』は、
電力・エネルギー新産業創出に寄与する人材を輩出することを目的とした修士・博士後期5年一貫の博士人材育成プログラムです。
この度、本プログラムの2023年9月(6期生)・2024年4月(7期生)進入/編入 募集説明会を以下のように開催致します。
お気軽にお申込みください。

<概要>
対象:現在、電力系・エネルギーマテリアル系を専攻分野としている(あるいは現在それらの分野に関心がある)以下の学生、社会人
・学部3年生、4年生
・修士課程/一貫制博士1年生、2年生
・2023年9月・2024年4月に以下の参画専攻博士後期課程入学予定者
[本プログラム参画専攻]
・基幹理工学研究科(機械科学・航空宇宙専攻、電子物理システム専攻)
・創造理工学研究科(地球・環境資源理工学専攻)
・先進理工学研究科(応用化学専攻、電気・情報生命専攻、ナノ理工学専攻、先進理工学専攻)
・環境・エネルギー研究科(環境・エネルギー専攻)

日時:2023年5月24日(水)12:30~13:10(途中入退室可)
形式:Zoomオンラインミーティング(申請フォームから参加登録いただいた方にURL詳細等、メールでお送り致します。)
内容:
・PEP卓越大学院プログラム概要説明(研究指導・支援体制、カリキュラム、進路、経済的支援etc)
・2023年9月(6期生)・2024年4月(7期生)進入/編入募集日程
・質疑応答(プログラムコーディネーター林 泰弘教授、PEP事務局が質問にお答え致します。)
・現役PEP生の体験談(当日登壇あり)

<申請フォーム>
PEPプログラムに少しでも関心のある方はお気軽に、以下URLよりお申込みください。
https://bit.ly/3LA0fQs

申込締切:5月24日(水)10:00まで

<お問合せ>
PEP卓越大学院プログラム事務局(51号館1F理工統合事務所内)
TEL:03-5286-3238 Email:[email protected]

PEP卓越大学院プログラムHP https://www.waseda.jp/pep/
パンフレット https://www.waseda.jp/pep/pamphlet/
募集要項出願書類 https://www.waseda.jp/fsci/admissions_gs/guidelines/pep/

「Skyrmions in Spin-Orbitronics and Orbitronics – novel science and applications in memory & non-conventional computing」(2023/5/31)

著者: staff
2023年4月24日 13:27

演題:Skyrmions in Spin-Orbitronics and Orbitronics

– novel science and applications in memory & non-conventional computing

 

日時:2023年5月31日(水)15時15分~16時55分

 

会場:西早稲田キャンパス 55号館 N棟 1階 第2会議室

 

講師:Mathias Kläui(ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ・教授)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催:先進理工学研究科 物理学及応用物理学専攻

 

問合せ:応用物理学科 望月維人([email protected]

「有機薄膜太陽電池の高効率化に向けた材料設計」(2023/5/16)

著者: staff
2023年4月24日 13:12

演題:有機薄膜太陽電池の高効率化に向けた材料設計

 

日時:2023年5月16日(火) 16時00分~17時40分

 

会場:西早稲田キャンパス 65号館214室(応化会議室)

 

講師:尾坂 格(広島大学大学院 先進理工系科学研究科 応用化学専攻)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料 直接会場へお越しください。

 

主催:先進理工学研究科 応用化学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

2023年度 社会文化領域コース 進入説明会(6/1オンライン実施・ 要事前登録)のご案内

著者: staff
2023年4月21日 15:15

社会文化領域コース進入説明会を、2023年6月1日 (木) にオンラインで開催します。関心のある学生は、以下のポスターおよび社会文化領域ウェブサイト上の情報をよく確認し、必要な手続きをとってください。

「大規模塩基配列情報を活用したRNAウイルス進化解析」(2023/5/16)

著者: staff
2023年4月19日 17:47

演題:大規模塩基配列情報を活用したRNAウイルス進化解析

 

日時:2023年5月16日(火) 16:00 – 17:40

 

会場:早稲田大学120-5号館 121会議室

※ハイブリットで開催いたします。遠隔参加希望の場合は以下参照

 

講師:中川 草(東海大学医学部基礎医学系分子生命科学 准教授)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

事前申込先:[email protected]

「お名前」「所属」「メールアドレス」を明記下さい。

早稲田大学の学生の場合は、学籍番号もご記入ください。

申し込みいただいた方に、zoomアドレスをお送りします。

 

主催:早稲田大学 先進理工学部 生命医科学科

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「The importance of ventilation for sleep quality」(2023/5/17)

著者: staff
2023年4月19日 13:20

演題:The importance of ventilation for sleep quality

 

日時:2023年5月17日(水) 15時00分~16時40分

 

会場:西早稲田キャンパス63号館2階04,05会議室

 

講師:Pawel Wargock

(Associate Professor, Department of Environmental and Resource Engineering, Technical University of Denmark)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料 直接会場へお越しください。

 

主催:創造理工学部 建築学科・創造理工学研究科 建築学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

「Prediction of dynamic behaviours of moisture and temperature in buildings」(2023/5/9)

著者: staff
2023年4月19日 13:19

演題:Prediction of dynamic behaviours of moisture and temperature in buildings

 

日時:2023年5月9日(火) 15時20分~17時00分

 

会場:西早稲田キャンパス63号館2階04,05会議室

 

講師:Hartwig Künzel(Head of department hygrothermics,FraunhorerInstitute for Bunding Physics)

 

対象:学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法:入場無料 直接会場へお越しください。

 

主催:創造理工学部 建築学科・創造理工学研究科 建築学専攻

 

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL:03-5286-3000

Novel, Highly Sensitive Biosensor Set to Transform Wearable Health Monitoring

著者: contributor
2023年4月18日 10:58

Novel, Highly Sensitive Biosensor Set to Transform Wearable Health Monitoring

Researchers from Japan have developed a new wearable biosensor that can detect extremely small changes in tear glucose and blood lactate levels

Wearable wireless biosensors are an integral part of digital healthcare and monitoring. Commonly used chipless resonant antenna-based biosensors are simple and affordable, but have limited applicability due to their low sensitivity. Now, researchers from Japan have developed a novel, wireless, parity–time symmetry-based bioresonator that can detect minute concentrations of tear glucose and blood lactate. This highly sensitive, tunable, and robust bioresonator has the potential to revolutionize personalized health monitoring and digitized healthcare systems.

Researchers have developed a novel, wireless, PT-symmetric wearable resonator that can detect tear glucose and blood lactate levels in the micromolar range. The resonator is composed of an inductance–capacitance–resistance (LCR) reader and an LCR sensor with an enzyme-based chemiresistor. The setup has a high quality (Q) factor, making it highly sensitive.

Wireless wearable biosensors have been a game changer in personalized health monitoring and healthcare digitization because they can efficiently detect, record, and monitor medically significant biological signals. Chipless resonant antennae are highly promising components of wearable biosensors, as they are affordable and tractable. However, their practical applications are limited by low sensitivity (inability to detect small biological signals) caused by low quality (Q) factor of the system.

To overcome this hurdle, researchers led by Professor Takeo Miyake from Waseda University, Professor Yin Sijie from Beijing Institute of Technology, and Taiki Takamatsu from Japan Aerospace Exploration Agency, have developed a wireless bioresonator using “parity–time (PT) symmetry” that can detect minute biological signals. Their work has been published in Advanced Materials Technologies.

In this study, the researchers designed a bioresonator consisting of a magnetically coupled reader and sensor with high Q factor, and thus, increased sensitivity to biochemical changes. The reader and sensor both comprise an inductor (L) and capacitor (C) that are parallel-connected to a resistor (R). In the sensor, the resistor is a chemical sensor called a “chemiresistor” that converts biochemical signals into changes in resistance. The chemiresistor contains an enzymatic electrode with an immobilized enzyme. Minute biochemical changes at the enzymatic electrode (in response to changes in the levels of biomolecules such as blood sugar or lactate) are thus converted into electrical signals by the sensor, and then amplified at the reader.

Explaining the technical concept behind their novel biosensor, Miyake says, “We modeled the characteristics of the PT-symmetric wireless sensing system by using an eigenvalue solution and input impedance, and experimentally demonstrated the sensitivity enhancement at/near the exceptional point by using parallel inductance–capacitance–resistance (LCR) resonators. The developed amplitude modulation-based PT-symmetric bioresonator can detect small biological signals that have been difficult to measure wirelessly until now. Moreover, our PT-symmetric system provides two types of readout modes: threshold-based switching and enhanced linear detection. Different readout modes can be used for different sensing ranges.”

The researchers tested the system (here containing a glucose-specific enzyme) on human tear fluids and found that it could detect glucose concentrations ranging from 0.1 to 0.6 mM. They also tested it with a lactate-specific enzyme and commercially available human skin and found that it could measure lactate levels in the range of 0.0 to 4.0 mM through human skin tissue, without any loss of sensitivity. This result further indicates that the biosensor can be used as an implantable device. Compared to a conventional chipless resonant antenna-based system, the PT-symmetric system achieved a 2000-fold higher sensitivity in linear and a 78% relative change in threshold-based detection respectively.

Sharing his vision for the future, Miyake concludes, “The present telemetry system is robust and tunable. It can enhance the sensitivity of sensors to small biological signals. We envision that this technology can be used for developing smart contact lenses to detect tear glucose and/or implantable medical devices to detect lactate for efficient monitoring of diabetes and blood poisoning.”

This novel PT-symmetric wireless wearable bioresonator may soon usher in a new era of personalized health monitoring and efficient digitized healthcare systems!

Reference

Title of original paper: Wearable, Implantable, Parity-Time Symmetric Bioresonators for Extremely Small Biological Signal Monitoring
DOI: 10.1002/admt.202201704
Journal: Advanced Materials Technologies
Article Publication Date: 08 April 2023
Authors: Taiki Takamatsu1, Yin Sijie1, Takeo Miyake1,2
Affiliations:
1 Faculty of Science and Engineering, Graduate School of Information, Production and Systems, Waseda University, Japan
2 PRESTO, Japan Science and Technology Agency, Japan

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