2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of a chemical engineering science for redox flow batteries to improve current and energy conversion efficiency
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18K14048
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
石飛 宏和 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (00708406)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | レドックスフロー電池 / 反応装置工学 / 放射線化学反応 / 電極構造 / カーボン材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
バナジウムレドックスフロー電池(VRFB)は，活物質（電気化学反応して電池の充放電に寄与する物質）としてバナジウムイオン（Vイオン）を使う流動型の蓄電池である．(1)出力と容量を独立に設計できる・(2)充放電中に充電度（活物質が充電状態となる割合）を正確に計測できる，などの利点があり，自然エネルギーを貯蔵することができる．活物質を含む電解液はポンプで送液され，対流により多孔質電極内に流通させる構成になっている．VRFBは流動型電池という特殊な形式ゆえに，「材料・電極構造」と「内部抵抗（反応抵抗・物質輸送抵抗など）の低減」に関しては未解明な点が多い．まず，反応抵抗を低減するために含酸素官能基を高密度に生成させる必要がある．当年度は表面酸素官能基の導入を高効率に行うために，高崎量子応用研究所のご協力のもとで電極材料に対して放射線化学反応という新しい手法での表面改質を行った．その結果，従来手法（通常の気相酸化や液相酸化）と比べて高密度に表面酸素を導入することに成功した．放射線化学反応を行った電極を用いたレドックスフロー電池は，未処理電極を用いた電池と比べて高い電流密度を示すことを明らかにした．放射線化学反応を行う際の雰囲気（通常空気雰囲気，乾燥空気雰囲気，乾燥空気雰囲気）が電流密度に与える影響についても検討を行い，成果を学会等で発表した．また，放射線の照射時間についても予備的に検討を行い，長時間放射線を照射すると，試料の温度上昇により表面酸素官能基が熱分解して減少することも見出した．
さらに，電池を大電流化するためには物質輸送抵抗を低減する必要がある．物質輸送を促進する新しい電極構造についても，カーボン材料メーカーと協力して適当な貫通孔構造について初期的な知見を得ている．加えて，電池内の物質輸送を明らかにするため，シミュレーションモデルを開発して活物質濃度の可視化を行った．
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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
当年度は，当初より計画していた放射線化学反応実験，表面酸素の分析実験，電池試験を順調に行った．その結果，従来手法（空気酸化・液相酸化）と比べ，放射線化学反応によりカーボン材料表面に多量の表面酸素を導入できた．また，放射線化学反応による酸化を行ったカーボン材料は未処理のカーボン材料と比べて高い電流密度を示すことを実証できた．そのため，当初の目的に沿った実験手法を確立できたと考えている．当年度の成果の一部は化学工学会・電気化学会で発表した．
また，電極構造と物質輸送の関係についても，複数のサンプルを用意して貫通孔径と電流密度の関係の検討を開始し，ある程度条件を絞り込むことができた．加えて，レドックスフロー電池内の流動・物質輸送・反応を表現するモデルを開発することができ，こちらは次年度以降にも活用できる．
以上より，当年度は申請時の計画に沿って順調に研究を進めることができた．現在のところ，研究計画を進めるうえでの大きな障害は発生していない．本研究は「おおむね順調に進展している」と判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
放射線化学反応による効果の普遍性を確認するため，現在試験しているカーボン材料とは異なる材料での放射線化学反応を行う予定である．得られた試料については，昇温脱離測定・X線光電子分光による表面酸素の評価を行い，電池特性を調べるために電流-電圧測定を行う．活性の高い電極材料については充放電試験を今後に行い，放電容量，電圧効率・クーロン効率などを評価する予定である．放射線化学反応により，反応活性点の付与とカーボンへの欠陥導入（電気伝導率の低下）が同時に進むと考えられるため，今後は内部抵抗（反応抵抗，物質輸送抵抗，オーム抵抗）の分離を行いたい．照射する放射線の種類が放射線化学反応に影響する可能性も考えられるため，放射線の種類とカーボン材料の活性化状態の関係を明らかにしていきたい．また，予備的に放射線照射時間の検討を行った結果，当初想定していた照射よりも短い時間でも材料活性化できる点が示唆された．今後は放射線化学反応による活性化効果を得るための適当な時間を明らかにする予定である．
なお，カーボン多孔材料における貫通孔構造と物質輸送の関係についても実験・シミュレーションの両面より解明を進めていく予定である．
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| Causes of Carryover |
研究はほぼ予定通りに実施し適切な執行を行ったが，他予算との組み合わせによる効率的な研究の実施を行った．繰り越した予算は本研究をさらに発展させるために，有効に使う予定である．繰り越し予算は「今後の研究の推進方策」に示した研究を行い，物品費や分析費用などとして執行する予定である．
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