Unveiling intercalation mechanism of coordination frameworks for energy storage technologies

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18F18329
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 西原 寛 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70156090)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): AMORES SEGURA MARCO 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2018-11-09 – 2020-03-31
• Keywords: 錯体 / エネルギー貯蔵 / 電気化学

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、電子伝導性配位構造体を、インターカレーション機構に基づくエネルギー変換材料としての特性とその詳細な反応機構を明らかにし、同構造体を次世代エネルギー貯蔵反応へ展開することである。当該年度において、特に期待されている多価カチオンの脱挿入を基盤とする次世代エネルギー貯蔵反応への初歩的な展開を行った。具体的には、１：マグネシウム二次電池用電解液の最適化と、２：その電解液を用いて構造体へマグネシウムイオンを可逆的に脱挿入可能か検討した。上記の二つの項目について詳細を以下に示す。
１：マグネシウム二次電池用の最適化：当該電池系には、グリニャール試薬が使われるなど、これまでよく研究されてきたリチウム二次電池とは大きく異なる電解液を使用することが多い。問題として、大きな電位窓を有する電解液が少ないことがある。特に、高電位側に安定な酸化耐性のある電解液があまりなく、電極材料の電気化学特性を調査する妨げになっていた。本研究では、既存の報告の中で、扱いが簡便でかつ、特に電位窓が広いと報告があった7つの過去の報告を基盤に、そこから溶媒を調整するなどすることで、本研究に用いるための電解液の最適化を行った。結果として、ボロン系マグネシウム塩を用いることで、比較的広い電位窓を得られることがわかった。
２．配位構造体へのマグネシウムイオンの電気化学的脱挿入：１で得られた電解液を用いて、様々な配位構造体へのマグネシウムイオンの脱挿入を298 Kで試みた。結果として、一部の配位構造体には、マグネシウムを可逆的に脱挿入できることが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

電気化学特性を測定する上での最大の課題である電解液の最適化に成功したため、おおむね順調に進展しているとした。さらに、オペランドXAFS測定に移行するために、同電極材料においてex-situでのXAFS測定を行うなど実験系の整備も着々と進めており、またマグネシウムイオンを可逆的に脱挿入可能な電極材料も目星が付いていることも、理由として挙げられる。

Strategy for Future Research Activity

2019年度は、より特性容量の大きな電極材料の探索を進めつつ、順次XAFS測定を行う。現在の実験方法では、電気化学特性を測定するために298 Kの条件で測定しているが、多くの文献では、333 K以上の温度で活性化させて測定している。当該研究でも、まずは理想的環境では、どれだけの特性容量がマグネシウムイオンを挿入することで得られるのかを把握するために、333 Kでの電気化学測定を行うことで、より明確に材料の取捨選択を行うための基準を得られると考えている。