| Project/Area Number |
23K13634
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
田中 直樹 九州大学, 工学研究院, 助教 (00844672)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 熱電発電 / イオン性熱電発電 / 電解質 / 電極 / イオンゼーベック係数 / 熱電キャパシタ / 熱化学電池 / レドックス種 / ペリレンジイミド / ゲル / ゼーベック係数 / キャパシタ / 熱電変換 / 酸化還元反応 / イオン伝導 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、可逆的かつ速い電子授受能をもつ有機レドックスポリマーを基盤とした全固体熱化学電池の開発を目的とする。酸化還元活性な電解質を用いた熱化学電池は、小型機器の独立電源としての利用が期待されているが、そのほとんどは溶媒系の電解質で構成されているため、フレキシブル・ウェアラブルデバイスへの利用は不向きである。そこで本研究はレドックスポリマーを土台として、高速電子輸送と高速イオン輸送能を兼ね備えた固体電解質の作製し、熱化学電池に展開する。またポリマーの高次構造制御による異方性制御、電極およびセル構造の最適化による電解質/電極間の電子授受の高速化により、秀逸な熱化学電池の開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではレドックスポリマーを基盤とする固体熱化学電池の開発を目的に研究を進めてきたが、酸化還元種の大気不安定性により、連続的に安定な電圧を獲得する至らなかった。そこで当該年度では、レドックスフリー電解質を用いて、温度差によるイオンの拡散に基づく発電機構「イオン性熱電発電（i-TEG）」に着目した。これまでi-TEGは、熱起電力やイオン伝導度向上に向けて、電解質や電極をターゲットとした研究が進められている。その中で最近、高温側の電極界面における界面分極が熱起電力に影響を与えることが明らかになった。そこで本研究では、従来用いられてきた金属電極に加えて、電極表面の修飾が容易なカーボンナノチューブ（CNT）を電極材料として採用し、種々のアルカリ金属塩を含む高分子電解質における熱起電力への影響を評価することを目的とした。
アルカリ金属塩を含むポリビニルアルコール電解質の両端にCNT膜を貼り付け、電極方向に温度差を加えたところ、1.0～2.0 mV/Kのイオンゼーベック係数が得られた。興味深いことに、銅を電極を用いた場合では、カチオンの拡散に基づくp型を示すのに対して、CNTではアニオンの拡散に由来するn型を示した。これは、CNTとカチオン間でのカチオン-π相互作用により、温度差によるアニオンの選択的拡散が進行したと考えられる。従って、同一の電解質に対して電極を選択することで極性を切り替えられる本発見は、熱電デバイス構成の簡素化に繋がる重要な技術であると言える。また、カチオンをより強固に捕捉するために、CNT膜にニトロベンゼンジアゾニウム塩を用いて化学修飾を行ったところ、修飾濃度の上昇に伴いイオンゼーベック係数が増大することが明らかとなった。これらの成果は、i-TEGの熱電性能向上に向けた新たな設計戦略を提示するものである。
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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
当該年度においては、当初の研究目的とは異なる方向に進展したものの、イオン性熱電発電分野において重要な発見に繋がる成果を得ることができた。特に、同一の電解質に対して電極を選択するだけで極性を切り替えられる技術は、調査した限りでは世界で2例目の発見であり、熱電発電デバイスの簡素化および集積化に繋がる。今後、本技術を活用してデバイス給電やセンサーへの応用展開が期待される。
さらに、この発見に加え、修飾電極を利用したi-TEGの開発は、分野の進展に大きく貢献できると考えている。i-TEGの性能は、温度差により生じた非平衡状態における電極と電解質界面の構造に影響されると推測されているが、現時点ではその実験的な証拠は得られていない。そこで、修飾電極を分光分析のマーカーとして利用することで、この界面現象の理解が進み、i-TEG開発における新たな設計指針を示すことができると期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度で得られた研究成果を基に、今後は電極構造に着目し、i-TEG性能のさらなる向上を目指す。具体的には、以下の2つのアプローチに取り組む予定である。
まず、①i-TEGの熱起電力増大に向けて、オリジナルのカーボン電極を作製する。リチウムイオン電池に代表されるように、カーボン材料は高い表面積を有しており、キャパシタのエネルギー密度に直結する。そこで、カーボン電極の細孔構造を制御し、分子ふるい効果を付与した電極の開発に取り組む。この分子ふるい効果により、電極内部においてカチオンまたはアニオンのいずれか一方を選択的に捕捉することで、高温側の電極における界面分極を大幅に誘起できると考えている。
次に、②異種電極を活用したi-TEGデバイスの開発に取り組む。具体的には、同一の電解質において、互いに逆極性を発現する電極を組み合わせることで、熱誘起による電極間の電圧上昇を狙う。特に、当該年度に発見したアルカリ金属塩を含むポリビニルアルコール電解質に対して、銅電極とCNT電極という異種電極を用いることで、巨大な熱起電力の発現を目指す。その後、電解質をイオン液体に変更し、使用温度領域を拡張することで、より高性能なi-TEGデバイスの開発を進める。
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