電子活性部位を有する新規硫黄共重合体の創製に基づいた高性能硫黄二次電池の開発
| Project/Area Number |
19K22222
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 35:Polymers, organic materials, and related fields
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
吉川 浩史 関西学院大学, 工学部, 教授 (60397453)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷藤 尚貴 米子工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (80423549)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | 硫黄 / 二次電池 / 共重合 / 正極 / 共重合体 / 加硫 / XAFS / 逆加硫 / リチウム硫黄電池 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、酸化還元活性かつ高伝導性を有する小分子により硫黄鎖を架橋するという応募者独自の発想に基づき、機能性と安定性を兼ね備えた新規硫黄系高分子材料（硫黄共重合体）の創製を行い、これを正極に用いることで、硫黄単体の理論容量に迫る実容量と高いサイクル安定性を有する二次電池を実現する。さらに、各種物理化学計測法を用いて、その電気化学反応挙動を明らかにし、硫黄共重合体のサイエンスを深化させる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム硫黄電池は理論容量1670ｍAh/ｇと従来のリチウムイオン電池の10倍以上の高容量をもち、硫黄が安価な物質であることから、次世代二次電池として期待されているが、ポリスルフィドの溶出により、サイクルが進むにつれ容量が大幅に減少することが問題となっている。本研究では、電気化学反応中の硫黄の溶出を防ぐことを目的に、硫黄を様々な有機基で架橋した逆加硫体の創製を試み、その電気化学特性を検討した。
具体的には、テトラチアフルバレン（TTF）などの電子活性有機物と硫黄を様々な重量比について計量し、試験管に入れ、窒素雰囲気下、400℃の温度で2時間還流を行った。その後、反応していない硫黄を除くため、窒素雰囲気下、300℃で加熱し、逆加硫体を作成した。最後に、逆加硫体30wt％、トーカブラック50wt％、PVDF 20wt％からなる正極ペーストを作製してAl箔に塗工し、薄膜正極を作製した。これを用いて、0.4Ｍ LiTFSI、0.28Ｍ LiNO3、DOL、DMEからなる電解液、カーボンコートセパレーター、および負極のLiから成るリチウム硫黄電池を作成し、その電池特性を計測した。
結果についてであるが、ある条件で作製した逆加硫体について、硫黄と電子活性有機物の理論容量に迫る要領を得ることに成功し、サイクル特性も千サイクル程度安定であることが明らかとなった。さらに、この化合物について、固体電解質を用いた固体硫黄電池とでも言えるものを作製し、良い電池特性を得れている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
目的通りに、硫黄を様々な電子活性有機基で架橋した逆加硫体を創製し、その一部の逆加硫体が、従来の硫黄電池よりも大きな容量と安定なサイクル特性を示すことを明らかにできた点で、十分当初の目的は達成できている。よって、おおむね順調に進展していると言ってよい。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの研究において、硫黄に架橋分子を入れるという逆加硫体の創製が、硫黄電池の高性能化に向けて非常に重要であることが分かりつつある。しかしながら、その構造についての詳細は分かっていない。すなわち、高性能である理由や反応機構を解明するに至っていない。今後は、高性能化の要因を明らかにするうえでもラマン測定や放射光施設を用いた構造決定などに重点を置いた研究を推進したい。また、現在、より多様な多電子の酸化還元反応を示す有機物との逆加硫体の創製にも引き続き取り組んでいく予定である。
また、それに伴い、得られた成果を公表する準備を進めていく予定である。
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Report
(4 results)
Research Products
(33 results)
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[Journal Article] General synthesis of single-atom catalysts for hydrogen evolution reactions and room-temperature Na-S batteries2020
Author(s)
Wei-Hong Lai, Heng Wang, Lirong Zheng, Quan Jiang, Zi-Chao Yan, Lei Wang,* Hirofumi Yoshikawa, Daiju Matsumura, Qiao Sun, Yun-Xiao Wang,* Qinfen Gu, Jia-Zhao Wang, Hua-Kun Liu, Shu-Lei Chou,* Shi-Xue Dou
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Journal Title
Angew. Chem. Int. Ed.
Volume: 59
Issue: 49
Pages: 22171-22178
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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