2017 Fiscal Year Annual Research Report
新材料・新界面統合設計戦略に基づく革新的エネルギー貯蔵システムの構築
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15H05701
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山田 淳夫 東京大学, 大学院工学系研究科, 教授
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| Project Period (FY) |
2015 – 2019
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| Keywords | 水 / ハイドレートメルト / 孤立分子 / 孤立電子軌道 / 電気化学 / 軟X線分光 / 格子欠陥 / 電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度に我々が初めて発見したリチウム塩のハイドレートメルトとその異常な電気化学安定性について、昨年度は様々なリチウム塩で実現可能なことを見いだした。また、ナトリウム塩やカリウム塩のハイドレートメルトを新たに合成することにも合わせて成功した。これにより、アルカリ塩のハイドレートメルトが多様性を有し、これまでの常識を遙かに上回る広い電位窓と特異な輸送特性を実現する新たな電解質機能物質“群”として位置づけられることが示された。この特徴を生かし、通常の水溶液中では機能しない様々な電極材料が作動することを実証した上で、新規な電池デバイスを複数構築した。これら特殊な溶液物性の起源は溶液中でアルカリイオンや陰イオンと強く相互作用しつつも、水素結合ネットワークは一切形成しない孤立した特殊な水分子である。
可逆的電荷貯蔵機能を担う固体電極材料において、新たに格子欠陥を導入した材料設計を提示した。これまで格子欠陥は、可逆性や安定性を阻害する負の因子として捉えられてきたが、本研究では近接する酸素の電子軌道の孤立化と可逆的酸化還元反応への寄与を発現させる目的で、遷移金属欠陥を積極的に導入する材料設計を行った。その結果、欠陥周辺で孤立した酸素軌道による巨大可逆容量が出現することを見いだし、その安定性がこれまでの報告例を遙かに凌駕することがわかった。
昨年度報告した、Mxene層間化合物に閉じ込められた水分子の負性誘電率とキャパシタンス増強効果について、Graphene層間における同様の挙動を理論的に実証することに成功し、現象の一般性に対する端緒を得た。
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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
上述のように、液体、固体中で周囲との相互作用が極端に変調された孤立分子や孤立電子軌道の存在が、電気化学機能(電極機能、電解液機能)の大幅に向上に繋がることを複数の事例により提示した。分子や電子軌道の“孤立”が、電池性能の大幅な向上に繋がる事象が一般化されたことで、イオニクス材料の現状の機能設計概念の大幅な見直し提言に繋がる可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
液中の孤立分子の存在は、実験的には振動分光学的手法による経験的同定、理論的には分子動力学的手法による構造追跡によりそれぞれ実証してきた。その特異的な電気化学機能の起源を探るには、孤立分子特有の電子状態にまで遡って理解を深化させる必要がある。軟X線発光・吸収分光による実験的アプローチと、エネルギー基準値の定義された第一原理計算によるスペクトルシミュレーションを最適に組み合わせることで精密な情報抽出を行う。固体中で電気化学活性を付与する孤立電子軌道については、局在性、遍歴性、分裂エネルギー、さらにはそれらの酸化還元反応に伴う変化に関する包括的な理解が要求される。通常の軟X線発光・吸収分光に加え、励起エネルギーを変数とした共鳴非弾性X線散乱を最大限に活用し、最も洗練された解釈に基づく全体像を関連学会に提供する。これらの検討を通じて、新たな水科学領域、高濃度溶液化学領域、固体電気化学領域を開拓すると同時に、すべてのベースとなる機能孤立分子化学、機能孤立電子軌道化学を確立する。
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