多孔性無機材料の合成と次世代蓄電池デバイスへの展開

• Project/Area Number: 12J00031
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Inorganic materials/Physical properties
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 長谷川 丈二 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,960,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2012: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 多孔性材料 / リチウムイオン電池 / ナトリウムイオン電池 / モノリス電極 / リチウムイオン二次電池 / 電気二重層キャパシタ

Outline of Annual Research Achievements

相分離を伴うゾル－ゲル法により作製したTiO2多孔体を水酸化リチウム水溶液中で処理したのち、焼成することで多孔質スピネル型チタン酸リチウムを作製した。水酸化リチウム水溶液中での処理によりTiO2の溶解再結晶が起こり、多孔質骨格表面に花弁状構造を形成させることができる。この複雑なナノ構造を有するチタン酸リチウム多孔体をリチウムイオン電池およびナトリウムイオン電池電極として応用し、その電気化学特性の評価を行った。その結果、ナノ構造を有するチタン酸リチウム電極は、リチウムイオン電池負極として優れたレート特性を示し、また、ナトリウムイオン電池負極としても有用であることが分かった。さらに、ナトリウムイオン電池負極として用いた場合には、リチウムイオン電池の場合に比べ、レート特性の低下が見られたが、作動温度を上昇させることにより、レート特性の改善が可能であることを見出した。
また、ナトリウムイオン電池用負極である多孔性ハードカーボン電極の開発および細孔特性制御を行った。さまざまな細孔構造と異なる結晶化度を有する電極のナトリウムイオン電池負極特性を比較することで、それらの特性が電池性能に与える影響について詳細に調べた。現在、さらに詳細な検討を行うために、放射光施設を利用した研究を検討中である。さらに、界面活性剤のミセル鋳型法と相分離法を組み合わせることにより、2d-hexagonal構造のメソ孔およびマクロ孔を有するフェノール樹脂の作製に成功し、その炭素化により、階層的多孔構造を有するハードカーボン電極を作製した。得られた電極は、ナトリウムイオン電池負極として、優れた容量およびレート特性を示した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hierarchically porous Li4Ti5O12 anode materials for Li- and Na-ion batteries: effects of nano-architectural design and temperature dependence of rate capacity (2015)
  • Author(s): George Hasegawa, Kazuyoshi Kanamori, Tsutomu Kiyomura, Hiroki Kurata, Kazuki Nakanishi, Takeshi Abe
  • Journal Title: Advanced Energy Materials Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1400730-1400730
  • DOI: 10.1002/aenm.201400730
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Impact of electrolyte on pseudocapacitance and stability of porous titanium nitride (TiN) monolithic electrode (2015)
  • Author(s): George Hasegawa, Atsushi Kitada, Shota. Kawasaki, Kazuyoshi Kanamori, Kazuki Nakanishi, Yoji Kobayashi, Hiroshi Kageyama, Takeshi Abe
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society Volume: 162 Issue: 1 Pages: A77-A85
  • DOI: 10.1149/2.0491501jes
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of calcination condition on porous reduced titanium oxides and oxynitrides via preceramic polymer route (2015)
  • Author(s): George Hasegawa, Tatsuya Sato, Kazuyoshi Kanamori, Cheng-Jun Sun, Yang Ren, Yoji Kobayashi, Hiroshi Kageyama, Takeshi Abe, Kazuki Nakanishi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 54 Issue: 6 Pages: 2802-2808
  • DOI: 10.1021/ic502972v
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Porous chromium-based ceramic monoliths ; Oxides (Cr_2O_3), nitrides (CrN) and carbides (Cr_3C_2) (2014)
  • Author(s): 城戸保樹、長谷川丈二、金森主祥、中西和樹
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 2 Issue: 3 Pages: 745-752
  • DOI: 10.1039/c3ta13725b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and electrochemical performance of hierarchically porous N-doped TiO_2 for Li-ion batteries (2014)
  • Author(s): 長谷川丈二、佐藤達也、金森主祥、中西和樹、安部武志
  • Journal Title: New Journal of Chemistry Volume: 38 Issue: 4 Pages: 1380-1384
  • DOI: 10.1039/c3nj01332d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New Li_2FeSiO_4-carbon monoliths with well controlled macropores : Effects of pore properties on electrode performance (2013)
  • Author(s): 長谷川丈二、三戸麻衣、石原裕也、金森主祥、中西和樹、安部武志
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 15 Issue: 22 Pages: 8736-8743
  • DOI: 10.1039/c3cp50352f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hierarchically porous monoliths based on N-doped reduced titanium oxides and their electric and electrochemical properties (2013)
  • Author(s): 長谷川丈二、佐藤達也、金森主祥、中野晃佑、矢島健、小林洋治、陰山洋、安部武志、中西和樹
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 25 Issue: 17 Pages: 3504-3512
  • DOI: 10.1021/cm401933a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flower-like surface modification of titania materials by lithium hydroxide solution (2012)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、菅原義弘, 幾原雄一、中西和樹
  • Journal Title: Journal of Colloid and Interface Science Volume: 374 Issue: 1 Pages: 291-296
  • DOI: 10.1016/j.jcis.2012.02.002
  • NAID: 120004007476
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New monolithic capillary columns with well-defined macropores based on poly (styrene-co-divinylbenzene) (2012)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、石塚紀生、中西和樹
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 4 Issue: 5 Pages: 2343-2347
  • DOI: 10.1021/am300552q
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective preparation of macroporous monoliths of conductive titanium oxides Ti_nO_2n-1(n=2,3,4,6) (2012)
  • Author(s): 北田敦、長谷川丈二、小林洋治、金森主祥、中西和樹、陰山洋
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 134 Issue: 26 Pages: 100894-10898
  • DOI: 10.1021/ja302083n
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New insights into the relationship between micropore properties, ionic sizes, and electric double-layer capacitance in monolithic carbon electrodes (2012)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、中西和樹、安部武志
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 116 Issue: 50 Pages: 26197-26203
  • DOI: 10.1021/jp309010p
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 伝導性を有するチタン酸化物モノリス (2012)
  • Author(s): 北田敦、長谷川丈二、陰山洋
  • Journal Title: 機能材料 Volume: 32 Pages: 44-49
• [Presentation] 窒素含有チタン系有機－無機ハイブリッド多孔体の結晶化挙動 (2015)
  • Author(s): 長谷川丈二、小林洋治、陰山洋、安部武志、金森主祥、中西和樹
  • Organizer: 日本セラミックス協会2015年年会
  • Place of Presentation: 岡山 （岡山県）
  • Year and Date: 2015-03-20
• [Presentation] Synthesis and Electrochemical Application of Porous Si/C Nanocomposites from Poly(silsesqioxane) Networks (2015)
  • Author(s): 長谷川丈二、楊肖、金森主祥、中西和樹、野平俊之、安部武志
  • Organizer: Fourth International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials
  • Place of Presentation: シッチェス（スペイン）
  • Year and Date: 2015-03-10
• [Presentation] 多孔性カーボンモノリスへのヘテロ原子の導入 (2014)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、中西和樹、小林洋治、陰山洋、安部武志
  • Organizer: 第41回炭素材料学会年会
  • Place of Presentation: 大野城（福岡県）
  • Year and Date: 2014-12-10
• [Presentation] Nano-structured Porous Li4Ti5O12 as a High-Performance Anode for Li-ion and Na-ion Batteries (2014)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、清村勤、倉田博樹、中西和樹、安部武志
  • Organizer: International Society of Electrochemistry 65th Annual Meeting
  • Place of Presentation: ローザンヌ（スイス）
  • Year and Date: 2014-09-02
• [Presentation] 階層的多孔構造を有するチタン酸リチウムの作製と二次電池電極への応用 (2014)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、清村勤、倉田博樹、中西和樹、安部武志
  • Organizer: 第12回ゾル－ゲル討論会
  • Place of Presentation: つくば（茨城県）
  • Year and Date: 2014-08-07
• [Presentation] 多孔性材料の細孔制御と電気化学的応用への展開 (2014)
  • Author(s): 長谷川丈二
  • Organizer: 第133回ニューガラス研究会
  • Place of Presentation: 大阪キャッスルホテル
  • Year and Date: 2014-03-20
  • Invited
• [Presentation] Pore Control of Carbon Monolithic Materials (2013)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、中西和樹、安部武志
  • Organizer: 第40回炭素材料学会年会
  • Place of Presentation: 京都教育文化センター
  • Year and Date: 2013-12-03
  • Invited
• [Presentation] Hierarchically Porous Li_4Ti_5O_<12> Monoliths with Flower-like Surface Modification for Lithium-Ion Secondary Batteries (2013)
  • Author(s): 長谷川丈二、金森主祥、中西和樹、安部武志
  • Organizer: Sol-Gel 2013
  • Place of Presentation: Madrid (Spain)
  • Year and Date: 2013-08-28
• [Presentation] Preceramic Polymer Route to Macroporous Monoliths Based on N-Doped Reduced Titanium Oxides (2013)
  • Author(s): 長谷川丈二
  • Organizer: Third International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials
  • Place of Presentation: Sorrento (Italy)
  • Year and Date: 2013-03-07
• [Presentation] カーボンモノリス電極の細孔特性の電気二重層容量へ与える影響 (2012)
  • Author(s): 長谷川丈二
  • Organizer: 第39回炭素材料学会年会
  • Place of Presentation: 長野市生涯学習センター(長野県)
  • Year and Date: 2012-11-30
• [Presentation] Fabrication of Macroporous Li_2FeSiO_4/Carbon Monoliths for a Lithium-Ion Battery (2012)
  • Author(s): 長谷川丈二
  • Organizer: PRiME 2012
  • Place of Presentation: Honolulu (U.S.A.)
  • Year and Date: 2012-10-08
• [Presentation] A New Route to Synthesize Hierarchically Porous Carbon Monoliths with High Surface Area (2012)
  • Author(s): 長谷川丈二
  • Organizer: Carbon 2012
  • Place of Presentation: Krakow (Poland)
  • Year and Date: 2012-06-18
• [Book] Studies on Porous Monolithic Materials Prepared via Sol-Gel Processes (2012)
  • Author(s): 長谷川丈二
  • Total Pages: 207
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 京都大学大学院 理学研究科 無機物質化学研究室
  • URL: http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/mukibutsu/index.php?List%20of%20Publications%202015
• [Remarks] 京都大学大学院・工学研究科・安部研究室ホームページ
  • URL: http://elech.kuic.kyoto-u.ac.jp/index.php?Pub