2019 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 / 活性 / 貫通孔 / 圧力損失 |
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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を使う送液型の蓄電池である．充放電反応の活性を高めること，および送液時の損失（圧力損失）を低下させる点が電極材料に求められている．2018年度は放射線照射による反応活性点の生成やシミュレーションモデルによる流動状態の確認などを行った．
2019年度はこれまでの研究を発展させ，高崎量子応用研究所のご協力のもとで放射線化学反応の条件（照射電流値および照射時間）が電池出力（活性が高いほど出力が高くなる）に与える影響を調べた．その結果，同じ照射量でも照射電流値が大きいほど電池が高出力化することを明らかにした．照射量一定の条件では電流値が高いと，(a) 放射線化学反応が起きる頻度が高くなる，(b) 照射時間が短くなるために逐次反応による活性点の変性を防げる，などの要因が考えられる．また，照射時間が長くなると一旦電池出力が向上したあとで電池出力が低下することを明らかにした．これは(b)で述べたように，照射時間が長いと逐次反応により活性点が変性するためだと考えられる．上記の成果を国際会議で発表し，論文投稿中である．加えて，従来のファイバー積層材料（カーボンクロス，カーボンペーパー）とは異なる，多孔性カーボンモノリスを電極材料として提案した．多孔性カーボンモノリスは従来材料と異なりバインダーが無く，全ての方向に対して均一なマクロ孔構造になっているなどレドックスフロー電池に適した構造になっている．電気化学測定および圧力損失測定により，多孔性カーボンモノリスは活性と液体透過性を両立できる潜在性を示した．カーボン材料の炭素化温度を1500 ℃程度で処理してから活性化処理を行うことにより，高活性な電極材料になる点を示し，成果を学会で発表した．
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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
当年度も，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．放射線化学反応による効果の普遍性を確認するために，異なるカーボン材料において電子線照射を行い， X線光電子分光により表面酸素の導入も確認した．電池試験を行うことにより，最適な照射電流値・照射時間を見出した．当初計画に加えて連続の充放電試験にも着手し，安定性に関して初期的な知見を得ている．また，多孔性カーボンモノリスを電極材料として導入し，多孔性カーボンモノリスを電極材料は従来材料と比べて面内方向の液透過が促進されている点が示唆された．また，概要に示した通り炭素化処理および活性化処理が反応活性に与える影響について知見を得ている．当年度の成果の一部は国際会議および化学工学会・炭素材料学会・電気化学会で発表した．
以上より，当年度も当初の目的に従って計画を着実に遂行することができた．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 |
放射線照射を行った電極材料に対して充放電試験を行い，従来手法（空気酸化など）で活性化した電極材料と安定性を比較する．なお，空気酸化により，活性点と考えられている表面酸素官能基の導入および比表面積が増加するが，放射線照射の実験結果を検討することにより，表面酸素官能基と比表面積のどちらが活性点向上に対してポイントとなるかを調べる．また，充放電試験前後で電極材料表面の化学状態がどのように変化しているのかを昇温脱離測定もしくはX線光電子分光によって明らかにする．また，反応抵抗・物質輸送抵抗を低減するために電極材料中の細孔構造設計を実験・計算の両面から行う．今後も高活性な電極材料については充放電試験および圧力損失（もしくは液透過係数）の実測を行い，材料・構造の設計にフィードバックする．なお，コロナウイルスの感染拡大にともない，実験研究・シミュレーション研究の実施が難しい状況になっているため，計画については柔軟に対応していきたい．
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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，共同研究による効率的な機器使用および自力による装置修繕を行った．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が，コロナウイルスが研究活動に与える影響について見極めて再度の繰り越しについても検討する．
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