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
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22K19073
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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) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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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 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)
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| Keywords | 硫黄 / 二次電池 / 共重合 / 重合 |
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| 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。
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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、硫黄をアリールジチオールで架橋した逆加硫体や硫黄とアルコールからなる共重合体の創製を試み、その電気化学特性を検討した。
具体的には、アルコールと硫黄を重量比1:5になるように計量し、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SACを作成した。最後に、SAC30wt％、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、アルコールの炭素の数、OH基の位置、炭素からハロゲン原子を変えた12種類のSACを合成した。物性測定では、IR測定からアルコールの炭素、XRD測定からは硫黄に由来するピークが見られ、ペレットでの抵抗率を測定したところ12種類全てが絶縁性であったので、アルコールと硫黄が混合されていること以外は硫黄と大差がないことが判明した。しかし、充放電測定でSACに大きく変化が現れ、SACを電池にすると、2-ヘキサノール、オクタノール、クロロブタノールの電池特性が良好で、初期容量1600ｍAｈ/ｇ以上で100サイクル目までで700ｍA/ｇ以上を維持していた。
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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
目的通りに、硫黄をアリールジチオールで架橋した逆加硫体や硫黄とアルコールからなる共重合体を創製し、その一部の共重合体が、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や共重合体の創製が、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、共重合体や逆加硫体には不活性な部位が導入されているだけで、より多電子の酸化還元反応を示すテトラチアフルバレン（TTF）骨格を取り込むことで、硫黄電池のさらなる高容量化とサイクル特性の向上が期待され、今後はこのような研究も推進していく予定である。
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
(1 results)
Research Products
(5 results)
