2017 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
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16K05755
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
松原 浩 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (20239073)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 有機二次電池 / 正極活物質 / ベンゾキノン |
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| 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。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。具体的には、BQ多量体の合成と活物質としての評価を行い、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。
昨年度にBQを二量化したビスベンゾキノン(BBQ)が良好なサイクル特性を示すことが分かったので、本年度はBBQを用いた二次電池セルの作製条件の検討を行った。その結果、BBQの濃度が20%のときに最も高い容量を示すことを見出した。通常、活物質濃度が大きくなると容量は小さくなることが知られているが、今回の知見はこの一般則に反する興味深い現象である。また、電解液としてカーボネート系、グライム系、スルホン系、およびエーテル系を試した結果、カーボネート系が最も優れていることが分かった。しかしながら、いずれの電解液を用いてもサイクル特性の改善には至らず、更なる検討が必要である。
さらにベンゼン環に３つのBQユニットを導入したB-TBQや2つのBQユニットがシクロヘキサノンに結合したMA-BBQも合成し、正極活物質としての性能評価を行った。これらの化合物は活物質として機能するものの、出力電位や容量密度はBBQよりも小さかった。しかしながら、サイクル特性は、B-TBQがBBQよりも優れていることが分かった。これはB-TBQがBBQよりも溶解度が低いことに起因していると思われる。
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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
昨年度合成に成功したベンゾキノン(BQ)の二量体(BBQ)を用いて、二次電池セルの条件検討を行うことができた。また、セル条件の評価において、活物質濃度が増加すると容量が低下するという一般則に反する興味深い現象を見出した。さらに、他の結合様式をもつBQ多量体の合成にも成功した。但し、サイクル特性の劇的な改善に繋がるような成果が得られていないところが課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
ベンゾキノンキノン(BQ)を二量化したBBQやさらにベンゼン環にBQユニットを３つ導入したB-TBQ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系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別の構造様式をもつBQ多量体の合成を行う。
またBQ二量体は当初予想の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昨年度の研究から判明した。そこで、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ユニット間へスペーサーを導入し、容量密度の向上を狙う。
さらに、本年度セル条件の評価において、活物質濃度が増加すると容量が低下するという一般則に反する興味深い現象を見出した。この現象を再現性を含めて検証する。
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| Causes of Carryover |
(理由) 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した。さらにセルの作製と評価に当たっては産業技術総合研究所の協力も得られたため材料費を大幅に節約することができ、結果的に約140万円の未使用研究費が生じた。
(使用計画) 次年度は更なる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:100万円、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:25万円、評価費用:10万円)(3)研究成果発表(電池討論会、Organic Battery Days2018):25万円、合計190万円
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