2015 Fiscal Year Annual Research Report
ゼオライト鋳型炭素のリチウムイオン二次電池用正極材料への応用
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15H01999
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
京谷 隆 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90153238)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西原 洋知 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80400430)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ゼオライト鋳型炭素 / リチウムイオン二次電池 / 正極材料 / リチウムイオンキャパシタ / 電気化学キャパシタ / 含酸素官能基 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では「ゼオライト鋳型炭素」のユニークな構造を利用することで、高性能なリチウムイオン二次電池の正極材料の開発を行う。本研究ではまた、リチウムイオン二次電池と同様に蓄電デバイスであるリチウムイオンキャパシタや電気化学キャパシタの電極材料の開発研究も行う。リチウムイオン二次電池の場合と異なり、これらのデバイスでは電極材料の炭素と電解液との反応性の抑制が鍵となる。ゼオライト鋳型炭素は極端にエッジの量が大きい炭素であるため、電解液と炭素との電極反応を調べるのに最適であり、劣化メカニズムを明らかにすることで、高性能炭素材料の開発に繋げる。昨年度はゼオライト鋳型炭素のエッジサイトへの電気化学的な含酸素官能基導入および、疑似容量の発現について検討した。まず、テトラメチルアンモニウム/テトラフルオロボレートを電解質としてプロピレンカーボネート溶媒中でゼオライト鋳型炭素の電気化学的酸化を試みた。その結果、このような有機電解質中でも含酸素官能基がゼオライト鋳型炭素に導入されることを明らかにした。有機電解質中での含酸素官能基の生成はあまり報告がなく、本研究で初めてその種類と量等の詳細が分かった。さらに、通常のリチウムイオン二次電池の電解液中（エチレンカーボネートとジエチルカーボネートに溶解したLiPF6）中でもゼオライト鋳型炭素は疑似容量を発現することを見出した。この疑似容量はゼオライト鋳型炭素に存在しているフランタイプのエーテルが陽分極によりカチオンラジカルになることと、陰分極によりゼオライト鋳型炭素にあるキノンタイプの含酸素官能基がアニオンラジカルなるために発現した。つまり、この陽分極をした場合の電気化学的反応を利用すればゼオライト鋳型炭素をリチウムイオン二次電池の正極材料として利用できる可能性がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度はゼオライト鋳型炭素のエッジサイトへの電気化学的な含酸素官能基導入および、疑似容量の発現について非常に効率的に検討することができた。その結果、有機電解質中でも含酸素官能基がゼオライト鋳型炭素に導入されることを明らかにした。有機電解質中での炭素への含酸素官能基の生成はあまり報告がなく、本研究で初めてその種類と量等の詳細が分かった。さらに、通常のリチウムイオン二次電池の電解液中でゼオライト鋳型炭素は疑似容量を発現することを見出し、その機構を明らかにすることができた。とくに正方向に分極した場合にはゼオライト鋳型炭素に存在しているフランタイプのエーテルがカチオンラジカルになることとを明らかにし、リチウムイオン二次電池の正極材料として利用できる可能性を示すことができた。これらの結果を論文として投稿したところ、すぐにアクセプトされ、印刷するに至っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の研究によりゼオライト鋳型炭素に存在しているフランタイプのエーテルが正方向の分極によりカチオンラジカルになることを明らかにした。つまり、この電気化学的反応を利用すればゼオライト鋳型炭素を正極材料として利用できる可能性がある。しかし、一番の大きな課題はゼオライト鋳型炭素の高電位における安定性である。そのためには電極材料の炭素と電解液との反応性の抑制が鍵となる。ゼオライト鋳型炭素は極端にエッジの量が大きい炭素であるため、電解液と炭素との電極反応のメカニズムを調べるのに最適である。そこで、ゼオライト鋳型炭素と様々な種類の炭素を用意し、それらのエッジ面の徹底的な分析を行い、エッジサイトにあるラジカル（カルベンなどの安定ラジカルも含む）、含酸素官能基、水素の定量を行う。それらのエッジサイトの情報と各種炭素の電気化学的安定性を比較検討することで、電気化学的に活性なサイトを明らかにし、その情報を基にゼオライト鋳型炭素の電気化学的安定性の向上のための戦略を練る。さらに昨年度実施予定で実施できなかったリチウムイオンキャパシタおよび電気化学キャパシタの新規電極材料開発に向けた検討も実施する。
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Research Products
(4 results)
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[Journal Article] Pseudocapacitance of zeolite-templates carbon in organic electrolytes2015
Author(s)
Khanin Nueangnoraj, Hirotomo Nishihara, Takafumi Ishii, Norihisa Yamamoto, Hiroyuki Itoi, Raul Berenguer, Ramiro Ruiz-Rosas, Diego Cazorla-Amoros, Emilia Morallon, Masashi Ito, Takashi Kyotani
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Journal Title
Energy Storage Materials
Volume: 1
Pages: 35-41
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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