| 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 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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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 | 硫黄共重合体 / 二次電池 / 正極材料 / 硫黄 / 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（Li-S）電池は、その理論容量が従来のリチウムイオン電池の約10倍（約1670 mAh/g）であり、硫黄が安価な材料であることから、次世代二次電池の正極材料として期待されている。しかし、電気化学反応における硫黄の電解質溶液への溶出により、サイクル安定性が低いという問題がある。本研究課題では、この問題を解決するため、電気化学反応による硫黄の溶出が抑制される材料の創製と電極特性の検討研究を行った。今年度は、硫黄と様々なアルコールからなる複合体（SAC）の作製を行った。
具体的には、炭素鎖長や級数の異なるアルコールと硫黄を重量比1:5で混合し、窒素雰囲気下、400 ℃で2 時間還流を行った。その後、未反応の硫黄を除くため、窒素雰囲気下300 ℃で加熱した。得られたSACを 30 wt%、トーカブラックを50 wt%、PVDF を20 wt%とする合材電極を作製し、Al 箔に塗工し、薄膜正極を作製した。これを用いて、LiTFSI、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Li 箔負極から成るLi-S電池を作成し、その電池特性を計測した。
その結果、各種SACを正極とするLi-S電池の放電容量のサイクル特性が得られ、それより、1-オクタノールと硫黄から作製したSACの電池特性が良好であり、電流密度200mAh/gで初期容量は約1660mAh/g、100サイクル後でも約800mAh/gを維持した。また、級数を変えたヘキサノールを用いたSACでは第2級が最も良好で、1-オクタノールと同等の電池特性を示した。これらより、炭素鎖長とOH基の位置が電池特性に影響することが示唆された。
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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
本課題は、有機小分子により、硫黄を固定化し、電気化学反応による硫黄の溶出を抑えて、リチウム硫黄電池を高性能化することを目的としている。現在、小分子であるアルコールを用いて、ある程度、その高性能化には成功していると言うことができる。よって、研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後であるが、なぜ、アルコールと硫黄を反応させた材料にて、高性能化が実現できるのかが分かっておらず、その機構解明を行う必要があると考えている。例えば、SのX線吸収分光などを行うことで、その詳細に迫り、より高性能な硫黄共重合材料の創製へとつなげる予定である。
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