2017 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 / 単層グラフェン / リチウムイオン二次電池 / リチウムイオンキャパシタ / 正極材料 / カーボンエッジサイト / 電気化学的安定性 |
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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。また、そこから得られた知見をベースにリチウムイオン二次電池と同様の蓄電デバイスであるリチウムイオンキャパシタの正極材料の開発研究も行う。今までの研究実績の概要に以下に示す。
1. ゼオライト鋳型炭素のエッジサイトへのキノン類を含む含酸素官能の電気化学的な導入が水溶液中だけでなく有機電解質中でも可能であることを明らかにした。2. 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の含酸素官能基は酸化還元反応を起こし、容量増加に寄与することを明らかにした。3. 一連の研究から蓄電デバイス用高性能正極材料に必要な要件は、電気化学的に酸化還元する含酸素官能基の存在だけでなく、高電圧下でも電解液中で腐食しないことが極めて重要であることが分かった。そこで、「ゼオライト鋳型炭素」の合成法と同じ鋳型法を用いて、「ゼオライト鋳型炭素」に比べて極めてエッジサイトが少ない3次元グラフェン状炭素を合成できるようになった。4. 上記の3次元グラフェン状炭素は化学的に活性なエッジサイトが少ないので、蓄電デバイス用正極材料として高電圧下でも劣化しないことを明らかにした。5. 電気化学的に不安定なカーボンエッジサイトの化学形態とその安定性について「ゼオライト鋳型炭素」をはじめ多くの炭素材料で調べると、水素原子と結合しているエッジサイトが電気化学的に不安定であることが分かった。
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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
本研究では「ゼオライト鋳型炭素」のエッジサイトにあるキノン基を酸化還元サイトとして利用することで、高性能で高容量なリチウムイオン二次電池の正極材料の開発を行うことが目的であった。研究を進めていくと、「ゼオライト鋳型炭素」のエッジサイトにあるキノン基やその他の含酸素官能基が電気化学的酸化還元を起こし容量増加に寄与するが、「ゼオライト鋳型炭素」を正極として使用した場合、高電圧下の劣化が大きな問題であることが判明した。そこで、「ゼオライト鋳型炭素」と同様に単層グラフェンからなるがエッジサイトが極めて少ない3次元グラフェン状炭素を合成し、この材料の蓄電デバイス用正極材料としての電気化学的安定性について現在詳細に調べている。すでにこの3次元グラフェン状炭素が高電圧下でも極めて安定であることは既に報告しており、蓄電デバイス用正極材料として有望であることがわかった。つまり、「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研究を行うことで、それより高性能な炭素電極を開発できるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
3次元グラフェン状炭素が高電圧下でも極めて安定であることが判明したので、今後はこの炭素を実際の蓄電デバイス用の正極材料として応用し、その性能を調べていく。とくに昨年度から最終年度にかけてはリチウムイオンキャパシタの正極材料としての耐高電圧特性に焦点を当てる予定である。さらに、「ゼオライト鋳型炭素」に極めて多く存在するカーボンエッジサイトが電気化学的に不安定であることが分かったので、現在はエッジサイトの化学形態、つまりエッジが水素原子、あるいは含酸素官能基と結合しているのかで、如何に電気化学的安定性に違いが出来るのか詳細に調べている。最終的には高電圧下で起こっている電気化学的腐食反応の分子過程を明らかにするのが目的であるが、現在までの結果で水素原子と結合しているエッジサイトが電気化学的に不安定であることなどが明らかになってきている。今後はその結果を基に「ゼオライト鋳型炭素」の電気化学的安定性を向上させるための方法を見出し、当初の目的であったキノン基を利用した正極容量の向上を目指す。。
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