| Project/Area Number |
23K21149
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| Project/Area Number (Other) |
21H02052 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
藤原 明比古 関西学院大学, 工学部, 教授 (70272458)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
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| Keywords | 二次電池 / 光充電 / 光酸化 / 正極活物質 / 有機硫黄材料 / ジスルフィド結合 |
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| Outline of Research at the Start |
リチウムイオン電池の正極での充電反応の一つに硫黄間の共有結合であるジスルフィド結合の形成があり、これは光照射による酸化でも形成される。これをリチウムイオン電池に応用すれば、光で充電可能なリチウムイオン電池が実現する。本研究の概要は、これまで溶液中でのみ可能であった光酸化によるジスルフィド結合の形成を、液相の陽イオン濃度、溶媒の最適化により固液界面で実現し、光照射によるリチウムイオン二次電池の充電に応用することである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
外部充電不要な小型電子機器が実現すれば、情報通信技術（ICT）やIoT機器の利便性、メンテナンス性が飛躍的に向上する。現在、太陽電池と二次電池とを組み合わせた電子機器は存在するが、機器が大型化し、携帯型電子機器への応用は困難である。
本研究の目的は、外部電源がなくても使用可能な小型電子機器の実現に向け、光による充電機能を有する二次電池正極材料を開発し、光充電できる電池を作製することである。具体的には、ジチオビウレット（DTB）をベースとした有機硫黄材料のジスルフィド結合（S-S結合）の電気化学的充放電（酸化還元）、光充電（酸化）について多様な分析手法を駆使し、(i) 高効率光酸化条件の決定、(ii) 電池セル内光化学反応の機構解明、(iii) 外部充電不要な光充電の作製、のステップで研究を進める。
初年度（2021年度）から2022年度までは、上記目的に向け、以下の点を達成した。(1) 材料混合用の粉砕機を設備備品として購入し、硫黄含有分子を集電材に塗布するためのスラリー（正極活物質DTB、導電助剤、バインダ、溶媒の混合物）を作製した。(2) スラリーの作製条件（主に混合比）や塗工条件と電気化学的特性の関係を明らかにした。(3) ガラス製セル、窓付きセルの２種類の光照射可能なセルにおいて、標準的な材料を用いた電池作製技術を構築した。(4) ガラス製セル、窓付きセルの２種類の光照射可能なセルにおいて、材料のラマン散乱による評価が有効的であることを確認し、セル内の電極状態の観察を可能とする配置を確立した。
2023年度は、上記を踏まえて、(5) DTB正極を用いたガラス製セルにおいて、電気化学的特性と光学特性（ラマン散乱測定結果）のスラリー組成依存性を調べ、それぞれの最適組成が違うことを明らかにした。スラリー組成を含む正極の最適化が最終目的に向けた課題であることを明らかにした。
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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
本研究課題推進前に、水溶液中のDTBの光酸化反応を分光学的に確認し、電池内環境、すなわち、固液界面での光酸化とその応用に向けた本課題を開始した。研究実績の概要に示した通り、DTB正極に光照射可能な電池の作製、電池内にあるDTBの酸化状態の分光学的測定方法を確立した。現在、電気化学的性質と分光評価の双方が可能な正極構造の探索と効率的な光酸化反応条件の探索を並行して推進しており、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究実績の概要、現在までの進捗状況に示した通り、現在、電気化学的に高い性能を示すスラリー組成と分光測定可能なスラリー組成に隔たりがあることを示し、これが本研究推進の課題であることを示した。これらの解決には、表面積が大きく高伝導性の集電材の利用が示唆されている。これまで集電材としてアルミニウム箔を利用してきたが、表面積の大きい炭素材料を集電材として用い、スラリー組成における導電助剤の割合を低減した正極材料作製条件を検討している。組成と集電材量の最適化を推進するとともに光酸化反応促進条件の最適化を行う。
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