| Project/Area Number |
23K26765
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| Project/Area Number (Other) |
23H02072 (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 (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 | Sophia University |
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Principal Investigator |
藤田 正博 上智大学, 理工学部, 教授 (50433793)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩間 悦郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90726423)
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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 |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
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| Keywords | 固体電解質 / 柔粘性イオン結晶 / ナトリウムイオン電池 / ナトリウムイオン伝導体 / 固相間転移 / 柔粘性結晶 |
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| Outline of Research at the Start |
環境・エネルギー対策の柱の一つとして、希少金属を用いない高資源性のイオン群を電荷キャリア/材料としたポストLiイオン電池の開発が喫緊の課題である。代替のイオンキャリアとしてNaが挙げられ、本研究では、柔粘性イオン結晶とNa塩を用いて、従来系を凌駕する新規フレキシブル固体電解質を創製する。さらに、可塑性の固体という特徴を活かしたデバイス作製にも取り組み、フレキシブルNa電池の開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
柔粘性イオン結晶（IPC）は高速なキャリアイオン輸送能と良好な界面接合性を両立できる希有な固体電解質材料であり、フレキシブルデバイスの開発に貢献するキーマテリアルとして期待される。今年度は、高Naイオン伝導体の分子設計指針を得る基礎物性面と、セルを作製し充放電試験を行う応用面との両面から研究を進めた。具体的な分子設計指針としては、(1)IPCを形成する骨格アニオン・カチオン、(2)添加Na塩種の最適化を行った。これまでの成果に従い、ピロリジニウムカチオンとアミドアニオンを主骨格としたIPCの合成を行った。ピロリジニウムカチオンの側鎖構造について検討した結果、直鎖アルキル基だけでなく、分岐アルキル基もイオン伝導度の向上に効果的であることがわかった。ピロリジニウムカチオンとビスフルオロスルホニルアミド（FSA）を組み合わせたとき、他のアミドアニオンと比較して高いイオン伝導度が得られることがわかった。アミドアニオン以外のアニオン構造についても検討を進めた結果、フッ素系ボレートも高イオン伝導性IPCの開発に有効であることが示唆された。ピロリジニウム系IPCにNa塩を所定量添加し、IPCのイオン構造やNa塩濃度がIPCの諸特性におよぼす効果を調査した。IPC/Na塩複合体の相転移挙動、Naカチオンの配位数、イオン伝導性は、ピロリジニウムカチオンの構造によって大きく変化した。一方、電解質としてピロリジニウム系IPC/Na塩複合体、正極にリン酸バナジウムナトリウム、負極にハードカーボンを用いたフルセルを作製し、充放電試験を行った。1000サイクル後の容量維持率は80％以上であり、比較のため行った有機電解液を用いたセルよりも高い値であった。電極表面において、良好な被膜が形成されたものと推察される。
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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
高Naイオン伝導性IPC電解質を開発するため、8種類のピロリジニウム塩を合成した。それらピロリジニウム塩に所定量のNa塩を添加して、それら複合体の熱分析、ラマン分光測定、インピーダンス測定、ナトリウムイオン輸率など計画にしたがって基礎物性を集積した。諸特性に及ぼすピロリジニウムカチオンのアルキル側鎖構造、アニオン構造の効果を詳細に検討した。これらの検討を進めた結果、従来系を超える高イオン伝導性IPCの分子設計指針を得ることができた。さらに、セルを作製し、充放電試験を行った。繰り返し充放電が可能であり、IPC/Na塩複合体はNaイオン電池の電解質として機能することを実証した。初年度の検討項目は、計画に沿って滞りなく進めてられており、本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 |
従来系を超える高イオン伝導性IPCの分子設計指針を得ることができたことから、マテリアルズ・インフォマティクス（MI）を用いて、材料開発を加速させる。さらに、共同研究を拡充し、高エネルギーX線全散乱測定を行い、各イオンの配位構造等について知見を得る。これにより、イオン伝導機構について理解を深め、MIの知見と合わせることで、効率的にイオン伝導度を向上させる。一方、実デバイスの作製と評価を行い、IPC/Na塩複合体はNaイオン電池の電解質として機能することを実証できた。電池セルの劣化挙動を実験的評価（形態観察/組成分析/抵抗値）と充放電シミュレーションを組み合わせて解析することで、研究の推進を目指す。さらに、これまでの知見から、Naイオン電池では初回充電時の負極上における安定的な被膜形成が充放電効率向上の鍵となることが予測され、液体系電池で効果的であったアニオン添加等により性能改善を目指す。
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