特異的作用場としての芳香族高分子による塩の非晶・超イオン伝導化

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 22H04623
• 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: Tokyo Institute of Technology (2023); Waseda University (2022)
• Principal Investigator: 畠山 歓 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (90822461)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 高分子固体電解質 / リチウムイオン電池 / 高分子電解質 / 全固体電池 / マテリアルズ・インフォマティクス / 全固体二次電池

Outline of Research at the Start

全固体リチウム二次電池の重要部材として注目されている固体電解質(リチウムイオンを流す材料)を新たな分子設計で創出し、そのメカニズムを究明する。電荷移動錯体という、半導体への応用などで注目されてきた分子構造をイオンの輸送に活用するアプローチで新規高分子群を合成する点に特色があり、社会実装に欠かせない、長寿命で高性能な電解質フィルムを得られる見込みがある。詳しい動作メカニズムは不明なため、先端の計測手法やデータ科学の手法も導入しながら分子構造の解析を進め、高速でイオンが輸送される理論の提示を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高い伝導度を実現する高分子電解質の開発に取り組んだ。従来の有機電解質は、媒体分子(ポリマーマトリックス)の熱運動に依存したイオン輸送機構が主流であったが、本研究では電荷移動錯体からなる高分子とリチウム塩の複合体に着目し、新たなイオン伝導メカニズムの解明を目指した。一連の実験検討と解析の結果、適切な分子設計を導入することで、塩そのものの分子運動性に基づくイオン輸送が原理的に可能なことが判明した。この現象を誘起するためには、電荷移動錯体のような分極性の媒体が有用であったほか、極性基を持つ一部の脂肪族分子も適用可能であった。
2023年度は具体的には、非対称な塩と脂肪族系のポリマーの組み合わせについて、主に検討した。ポリマー構造として、汎用的なもののほか、HSAB則に基づきポリエチレンスルフィド系の電解質も検証した。その結果、一部の組み合わせにおいて1 mS/cmを超える高い伝導度を示す条件を見出すことができた。
伝導機構が発現する理由として、電解質内に添加したリチウム塩がアモルファス相へ転移する現象が鍵となることが分かった。これにより、媒体分子の運動性を抑え、電解質膜としての強度は担保しつつ、高イオン伝導度につながる設計を実現することができる。これらの成果は、従来とは異なる材料設計や相互作用に基づくイオン輸送現象に関する学術的な基礎知見と位置づけることができる。また、集積した成果は査読付き学術論文や国内外の学会で発表した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Sulfur-containing Soft Lewis Base Polymers for Improved Lithium-ion Conductivity under Polymer-in-salt Conditions (2024)
  • Author(s): Chiba Akinari、Hatakeyama-Sato Kan、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: - Issue: 5
  • DOI: 10.1093/bulcsj/uoae048
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sandwich Configuration of Zinc Anode, Gel Electrolyte, and Radical Polymer Cathode for Fully Stretch‐Rechargeable Battery (2023)
  • Author(s): Ho Jin‐Chieh、Hatakeyama‐Sato Kan、Chiba Akinari、Hayashi Masaki、Igarashi Yuto、Oyaizu Kenichi、Chen Wen‐Chang
  • Journal Title: Advanced Sustainable Systems Volume: 7 Issue: 7 Pages: 2300080-2300080
  • DOI: 10.1002/adsu.202300080
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extracting higher-conductivity designs for solid polymer electrolytes by quantum-inspired annealing (2023)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan、Uchima Yasuei、Kashikawa Takahiro、Kimura Koichi、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 13 Issue: 21 Pages: 14651-14659
  • DOI: 10.1039/d3ra01982a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox: Organic Robust Radicals and Their Polymers for Energy Conversion/Storage Devices (2023)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Chemical Reviews Volume: 123 Issue: 19 Pages: 11336-11391
  • DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00172
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum Circuit Learning as a Potential Algorithm to Predict Experimental Chemical Properties (2023)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato, Y. Igarashi, T. Kashikawa, K. Kimura, K. Oyaizu
  • Journal Title: Digital Discovery Volume: 2 Issue: 1 Pages: 165-176
  • DOI: 10.1039/d2dd00090c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Charge-transport Kinetics of Dissolved Redox-active Polymers for Rational Design of Flow Batteries (2023)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato, Y. Igarashi, K. Oyaizu
  • Journal Title: RSC Adv. Volume: 13 Issue: 1 Pages: 547-555
  • DOI: 10.1039/d2ra07208d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thianthrene polymers as 4?V-class organic mediators for redox targeting reaction with LiMn2O4 in flow batteries (2023)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan、Sadakuni Karin、Kitagawa Kan、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 5711-5711
  • DOI: 10.1038/s41598-023-32506-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quadruply Fused Aromatic Heterocycles toward 4 V‐Class Robust Organic Cathode‐Active Materials (2022)
  • Author(s): Hatakeyama‐Sato Kan、Go Choitsu、Akahane Tomoki、Kaseyama Takahiro、Yoshimoto Takuji、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Batteries & Supercaps Volume: 5 Issue: 8
  • DOI: 10.1002/batt.202200178
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automated Design of Li ⁺ ‐Conducting Polymer by Quantum‐Inspired Annealing (2022)
  • Author(s): Hatakeyama‐Sato Kan、Adachi Hiroki、Umeki Momoka、Kashikawa Takahiro、Kimura Koichi、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Macromolecular Rapid Communications Volume: 43 Issue: 20 Pages: 2200385-2200385
  • DOI: 10.1002/marc.202200385
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploration of organic superionic glassy conductors by process and materials informatics with lossless graph database (2022)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan、Umeki Momoka、Adachi Hiroki、Kuwata Naoaki、Hasegawa Gen、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: npj Computational Materials Volume: 8 Issue: 1 Pages: 170-170
  • DOI: 10.1038/s41524-022-00853-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accelerating Charge/Discharge of Lithium Iron Phosphate by Charge Mediation Reaction of Poly(dimethylfluoflavin-substituted norbornene) (2022)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan、Go Choitsu、Kaseyama Takahiro、Yoshimoto Takuji、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 51 Issue: 11 Pages: 1040-1043
  • DOI: 10.1246/cl.220345
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent advances and challenges in experiment-oriented polymer informatics (2022)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 55 Issue: 2 Pages: 117-131
  • DOI: 10.1038/s41428-022-00734-9
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 有機材料の階層構造の解析に向けた実験系インフォマティクスの取り組み (2023)
  • Author(s): 畠山 歓
  • Organizer: 23-1水素・燃料電池材料研究会
  • Invited
• [Presentation] イオン液体・柔粘性結晶の実測データベースの構築と機械学習を用いた物性予測 (2023)
  • Author(s): 畠山 歓
  • Organizer: イオン液体研究会 イオン液体インフォマティクスの発展にむけて
  • Invited
• [Presentation] インフォマティクスを活用した機能性高分子の設計と電荷貯蔵デバイスでの実証 (2023)
  • Author(s): 畠山 歓
  • Organizer: 第72回高分子学会年次大会
  • Invited
• [Presentation] プロセス・インフォマティクスを活用した ガラス状リチウムイオン伝導性ポリマーの 合成と検証 (2022)
  • Author(s): 畠山 歓, 足立 裕樹, 小柳津 研一
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 高分子電荷移動錯体との界面相互作用による アモルファス状リチウム塩の形成と伝導特性 (2022)
  • Author(s): 畠山 歓, 足立裕樹, 小柳津 研一
  • Organizer: 第12回イオン液体討論会
• [Presentation] Challenges to predict functional polymer properties by data science (2022)
  • Author(s): Kan Hatakeyama-Sato, Kenichi Oyaizu
  • Organizer: 5th G’L’owing Polymer Symposium in KANTO
  • Invited