ラジカルポリマーゲルを用いた超高速電荷輸送ソフト界面の構築

• Project Area: Molecular Soft-Interface Science
• Project/Area Number: 21106519
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 小柳津 研一 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (90277822)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2010: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2009: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: ラジカル / ゲル / 電荷貯蔵 / 電荷輸送 / 二次電池

Research Abstract

本研究は、有機安定ラジカル種がモノマー単位当たり置換した非共役系ポリマーである「ラジカルポリマー」を用いて、高速かつ高密度の電荷輸送・貯蔵機能をもつ電解質膨潤ゲル膜を創出し、膜の内部における電子移動とそれにともなうイオン輸送現象の全容解明により、革新的電極活物質を創出することを目的とする。特に、これらの支配因子と考えられる膜/電解液界面における物質移動を、ポリマーゲル表面への規則的・階層的構造の導入を手段として効率化する切り口から、大容量の電荷貯蔵に関わるソフト界面の化学を確立する。酸化還元活性なラジカル席が密集した電解液膨潤ゲルを、外部からの電気刺激により酸化状態やDonnan平衡が素早くダイナミックに変化する機能性ソフト界面と捉え、エネルギー分野を志向した材料開拓の切り口から、ソフト界面の分子科学創出の一例として貢献する。
(1)界面構造制御による炭素フリーの活物質設計
メソスコピックレベルの規則・階層的構造をポリマーゲル/電解液界面に形成させ、電極面積当たりのレドックス容量と充放電のレート特性を両立させた斬新な機能性ゲルを創出した。光架橋ラジカル膜へのパターニングや相分離を利用したイオン移動チャンネルの導入により、電荷や対イオンの正味の拡散距離を低減させた構造を構築し、ポリマー膜への電荷注入が対イオンによる電荷補償に律速されず、あたかも溶存レドックス種のように素早く応答するソフト界面として確立した。
(2)電子・イオン輸送現象の解明と制御
ポリマーのキャスト膜における低次元イオン輸送チャンネルを形成するイオノフォア機能を期待して、ラジカル置換ポリエーテル類へと展開、ラジカル部位の電荷補償カチオン種について、ポリエーテル相互作用に基づく拡散経路を形成させた。有効レドックス層として働くポリマー膜厚を把握し、対イオンの拡散性向上が不活性層低減に繋がることを実証した。

Research Products

• [Journal Article] Nitroxide Radicals for Highly Efficient Redox Mediation in Dye-sensitized Solar Cells (2010)
  • Author(s): F.Kato, N.Hayashi, T.Murakami, C.Okumura, K.Oyaizu, H.Nishide
  • Journal Title: Chem.Lett. Volume: 39 Pages: 464-465
  • NAID: 10027180259
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox-active Polyimide/carbon Nanocomposite Electrodes for Reversible Charge Storage at Negative Potentials : Expanding the Functional Horizon of Polyimides (2010)
  • Author(s): K.Oyaizu, A.Hatemata, W.Choi, H.Nishide
  • Journal Title: J.Mater.Chem. Volume: 20 Pages: 5404-5410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improving Charge/discharge Properties of Radical Polymer Electrodes Influenced Strongly by Current Collector/carbon Fiber Interface (2010)
  • Author(s): S.Yoshihara, M.Kasai, H.Yonehara, K.Oyaizu, H.Nishide
  • Journal Title: J.Phys.Chem.B Volume: 114 Pages: 8335-8340
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] P- and N-type Bipolar Redox-active Radical Polymer Toward a Totally Organic Polymer-based Rechargeable Devices with Variable Configuration (2010)
  • Author(s): T.Suga, S.Sugita, H.Ohshiro, K.Oyaizu, H.Nishide
  • Journal Title: Adv.Mater. Volume: 23 Pages: 751-754
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and Charge Transport Properties of Redox-Active Nitroxide Polyethers with Large Site Density (2010)
  • Author(s): K.Oyaizu, T.Kawamoto, T.Suga, H.Nishide
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 43 Pages: 10382-10389
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual Dopable Poly(phenylacetylene) with Nitronyl Nitroxide Pendants for Reversible Ambipolar Charging and Discharging (2010)
  • Author(s): K.Oyaizu, T.Sukegawa, H.Nishide
  • Journal Title: Chem.Lett. Volume: 40 Pages: 184-185
  • NAID: 10027814898
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emerging N-Type Redox Aotive Radical Polymer for a Totally Organic Polymer-Based Rechargeable Bartary (2009)
  • Author(s): T.Suga, H.Ohshiro, S.Sugita, K.Oyaizu, H.Nishide
  • Journal Title: Adv.Mater. 21 Pages: 1627-1630
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Environmentally Benign Battery Based on Organic Radical Polymers (2009)
  • Author(s): H.Nishide, K.Koshika, K.Oyaizu
  • Journal Title: Pure Appl.Chem. 81 Pages: 1961-1970
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Rechargeable Battery Based on Hydrophilic Radical Polymer-electrode and Its Green Assessment (2009)
  • Author(s): K.Koshika, M.Kitajima, K.Oyaizu, H.Nishide
  • Journal Title: Green Chem.Lett.Rev. 2 Pages: 169-174
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Aqueous Electrolyte-type Rechargeable Device Utilizing a Hydrophilic Radical Polymer-cathode (2009)
  • Author(s): K.Koshika, N.Sano, K.Oyaizu, H.Nishide
  • Journal Title: Macromol.Chem.Phys. 210 Pages: 1989-1995
  • Peer Reviewed
• [Book] フレキシブルラジカルポリマー電池『次世代二次電池材料の開発』 (2009)
  • Author(s): 小柳津研一, 西出宏之
  • Total Pages: 10
  • Publisher: シーエムシー出版