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硫黄と有機物の直接反応による高性能硫黄電池用正極の開発と科学

Research Project

Project/Area Number 22K19073
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 35:Polymers, organic materials, and related fields
Research InstitutionKwansei Gakuin University

Principal Investigator

吉川 浩史  関西学院大学, 工学部, 教授 (60397453)

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)
Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords硫黄重合体 / 固体電解質 / 硫黄 / 二次電池 / 共重合 / 重合
Outline of Research at the Start

本研究では、学術的観点からも閉塞状況にある硫黄系正極材料の高性能化を目的に、酸化還元活性かつ高伝導性を有する分子により硫黄鎖を架橋するという未だ例のない研究代表者独自の発想に基づいた新規硫黄系高分子材料(硫黄共重合体)の創製により、これを正極に用いることで、電解液への溶出などを抑制し、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、革新的な正極材料創製の方法論に関する提案を行う。

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。本研究では、上記の問題を解決するため、逆加硫体や硫黄/アルコール複合体(SAC)を創製し、Li-S電池の正極活物質としての電極特性評価を行った。さらに、従来の溶液系電解質に代えて、固体電解質を用いた電池も作製し、その電池特性も検討した。
まず、材料についてであるが、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30wt%、トーカブラックを50wt%、PVDFを20wt%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。
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より、1-オクタノールから作製した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。さらに、固体電解質を用いた研究より、大幅に特性が上がることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

有機分子を硫黄に挟むことで、リチウム硫黄電池の特性が大幅に上昇することを見出した。さらに、固体電解質の利用が有用なことも分かっており、研究は当初の計画以上に進展している。

Strategy for Future Research Activity

今後は反応機構解明が重要となる。放射光施設を利用した、SのX線吸収端分光などを用いることでこれを実現する。これらで得られた結果を基に、さらに硫黄電池の改良に取り組む。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 2 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] CSIR(インド)

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  • [Int'l Joint Research] インド科学技術庁・機械工学中央研究所(インド)

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  • [Journal Article] Application of Hydrogen-Bonded Organic Frameworks with Redox-Active Imide Units as Cathode-Active Materials in Lithium- and Sodium-Ion Batteries2024

    • Author(s)
      Katsuhiro Wakamatsu, Yoshihiko Yamaguchi, Soichiro Furuno, Heng Wang, and Hirofumi Yoshikawa
    • Journal Title

      ChemElectroChem

      Volume: 11 Issue: 8

    • DOI

      10.1002/celc.202300607

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  • [Journal Article] Inorganic-Organic Framework Constructed by the Intercalation of a Double-Decker Porphyrin Metal Complex into Clay Nanosheets and Its Efficient Dye Adsorption Ability2024

    • Author(s)
      Yasuyuki Yamada*, Toshio Nishino, Ayako Hashimoto, Yuka Toyoda, Hirofumi Yoshikawa, Kentaro Tanaka
    • Journal Title

      ACS Applied Optical Materials

      Volume: 2 Issue: 3 Pages: 405-413

    • DOI

      10.1021/acsaom.3c00444

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    • Author(s)
      Yuta Asahina, Ryo Terashima, Manabu Ishizaki, Hideo Ando, Jun Matsui, Hirofumi Yoshikawa and Masato Kurihara
    • Journal Title

      J. Mater. Chem. A

      Volume: 11 Issue: 48 Pages: 26452-26464

    • DOI

      10.1039/d3ta05143a

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  • [Journal Article] Selective synthesis of two-dimensional semiconductive coordination polymers with silver-sulfur network2023

    • Author(s)
      Akiyoshi Ryohei、Saeki Akinori、Ogasawara Kazuyoshi、Yoshikawa Hirofumi、Nakamura Yuiga、Tanaka Daisuke
    • Journal Title

      CrystEngComm

      Volume: - Issue: 20 Pages: 2990-2994

    • DOI

      10.1039/d3ce00106g

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  • [Journal Article] Electron Storage Performance of Metal-Organic Frameworks Based on Tetrathiafulvalene-Tetrabenzoate as Cathode Active Materials in Lithium and Sodium-ion Batteries2023

    • Author(s)
      Katsuhiro Wakamatsu, Soichiro Furuno, Yoshihiko Yamaguchi, Ryo Matsushima, Takeshi Shimizu, Naoki Tanifuji, Hirofumi Yoshikawa
    • Journal Title

      ACS Appl. Energy Mater.

      Volume: 6 Issue: 18 Pages: 9124-9135

    • DOI

      10.1021/acsaem.2c03537

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    • Author(s)
      Katsuhiro Wakamatsu, Akinori Sekihara, Yoshihiko Yamaguchi, Ryo Matsushima, Daiju Matsumura, Tapas Kuila, Hirofumi Yoshikawa
    • Journal Title

      Batteries&Supercaps

      Volume: 6

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Application of Porous Coordination Polymer Containing Aromatic Azo Linkers as Cathode Active Materials in Sodium-Ion Batteries Application of Porous Coordination Polymer Containing Aromatic Azo Linkers as Cathode Active Materials in Sodium-Ion Batteries2022

    • Author(s)
      Takeshi Shimizu, Takumi Mameuda, Hiroki Toshima, Ryohei Akiyoshi, Yoshinobu Kamakura, Katsuhiro Wakamatsu, Daisuke Tanaka, and Hirofumi Yoshikawa
    • Journal Title

      ACS Appl. Energy Mater

      Volume: 5 Issue: 4 Pages: 5191-5198

    • DOI

      10.1021/acsaem.2c00537

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Battery Performances of Polyoxometalates/Nanocarbon Nanohybrid Materials2023

    • Author(s)
      Hirofumi Yoshikawa
    • Organizer
      International Congress on Pure & Applied Chemistry (ICPAC) Bali 2023
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Application of Porous Coordination Polymer Containing Aromatic Azo Linkers as Cathode Active Materials in Sodium-Ion Batteries2022

    • Author(s)
      Hirofumi Yoshikawa
    • Organizer
      8th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC8)
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 正極合材及び全固体電池2023

    • Inventor(s)
      谷藤尚貴、吉川浩史、加藤敦隆、高橋雅也、山本真理
    • Industrial Property Rights Holder
      学校法人 関西学院
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-223748
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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