2016 Fiscal Year Research-status Report
ベンゾキノン多量化による高性能有機二次電池正極活物質の開発
| Project/Area Number |
16K05755
|
|---|
| Research Institution | Osaka Prefecture University |
|---|
Principal Investigator |
松原 浩 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (20239073)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 有機二次電池 / 正極活物質 / ベンゾキノン / DFT計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
効率の良い二次電池正極活物質として有機化合物が期待されるが、現行の無機リチウムイオン電池を凌駕する材料は未だ現れていない。今までに、ベンゾキノン(BQ)にペルフルオロアルキル基を導入すると高い出力電位を持つ安定な正極活物質となることを見出したが、容量密度が小さいことと、充放電を繰り返すと電池容量が低下する問題があった。そこで本研究では、BQ を多量化することで容量密度とサイクル特性を同時に向上させることを目指す。合成と評価を行い、更に計算化学を活用して分子構造と電池性能の相間を探索し、構造と物性に関する指標を構築する。
本年度は、BQを二量化したビスベンゾキノン(BBQ)とBQを縮環したナフトジキノン(NDQ)の合成と正極活物質としての性能評価を行った。BBQは３工程、総収率33%、NDQは１工程、収率15%で合成することができた。合成した両物質は当初４電子の電子授受を行うと予想していたが、電気化学的評価の結果、どちらの化合物も３電子が関与する酸化還元挙動を示すことが分かった。また、これらの活物質を用いて作製した二次電池の特性を調べたところ、NDQの方が大きな容量密度を示すものの、サイクル特性はBBQが良いことが分かった。さらにBBQに種々の置換基を導入し、電池性能に与える置換基の影響について調べたところ、メトキシ基を有するBBQが特に優れたサイクル特性を示すことが分かった。一方、BBQやNDQが４電子ではなく３電子受容体として働く理由やメトキシ基を持つBBQが特に優れたサイクル特性を示す原因についてDFT計算から明らかにすることができた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画どおりベンゾキノン(BQ)の二量体(BBQ, NDQ)の合成に成功した。さらに得られた活物質を用いて二次電池の作製と評価も行うことができた。評価の結果、BQを単純に二量化したBBQにおいてBQ単体よりも優れたサイクル特性を見出した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
ベンゾキノン(BQ)を二量化したBBQでは優れたサイクル特性を示したものの、無機系の正極活物質やポリマーの活物質と比較すると、未だその差は大きい。そこで、サイクル特性の向上を目指して更なるBQの多量化を行う。
またBQ二量体が、当初予想の４電子受容体ではなく、３電子受容体としてしか働かないことが判明した。BQユニットを独立させて反応に関与する電子数を増やすためにBQユニット間へエチレン基などのスペーサーを導入し、容量密度の向上を狙う。
さらに計算化学を用いて分子構造と電池性能の相間を探索する。
|
| Causes of Carryover |
試薬やガラス器具、二次電池のセル作製材料などは研究室保有の物品を最大限活用することができたため材料費を大幅に節約することになり、結果的に約100万円の未使用研究費が生じた。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度はサイクル特性の向上を目指し、BQ三量体(TBQ)やスペーサーを挿入したBQ多量体の合成と評価を行う。そのため薬品代を中心に以下の内容で研究費を使用する計画である。（1）BQ三量体(TBQ)やスペーサーを挿入したBQ多量体の合成（薬品：80万円、合成実験器具：30万円）（2）合成したBQ類の電池特性評価（二次電池材料：20万円、評価費用：20万円）（3）研究成果発表（日本化学会、電池討論会）：20万円、合計170万円
|
