2020 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 – 2022-03-31
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| Keywords | レドックスフロー電池 / 反応工学 / 放射線化学反応 / 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，活物質としてバナジウム錯体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，および送液時のエネルギー損失（圧力損失）を低下させる点が多孔性炭素電極に求められている．2019年度は放射線照射の好適条件の理解やシームレス多孔性カーボン（モノリス構造のカーボン）による電気化学的な活性評価などを行った．
2020年度は引き続き放射線化学反応と多孔性カーボン電極に関する研究を発展させた．著者らは放射線化学反応による活性化は，電子線による化学結合の切断と空気中に生成した活性種（オゾン等）による複合的な反応過程だと考えている．放射線化学反応との対照実験としてオゾン酸化によるカーボンクロス電極の酸化実験を行った．その結果，比較的に高濃度なオゾンで酸化したサンプルは表面酸素量が増加したものの，放射線酸化したサンプルの2/3程度の出力にとどまったため，放射線酸化の有用性が示されたとともに，オゾンによる酸化と電子線による化学結合の切断の両方が重要である点が示唆された．
シームレス多孔性カーボンについては，熱処理温度を1200 ℃～2000 ℃とした上で空気酸化を行うと顕著に電流密度が向上する点を明らかにした．電流密度向上の要因としては，高温での熱処理によりカーボンが結晶化したためにオーム抵抗が低減された点，結晶性カーボンと活性点である表面酸素官能基との相互作用が示唆される．また，シームレス多孔性カーボンの連通マクロ孔径と圧力損失の関係についても実験的に検討を行い，概ねKozeny-Carman式の関係で整理できることを見出した．以上の結果を取りまとめて国際特許出願と学会発表を行った．
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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，コロナ禍のために研究の遂行が極めて困難であったが，計画していたオゾン酸化実験，キャラクタリゼーション，電池試験，圧力損失測定を最大限努力して行った．放射線化学反応の対照実験であるオゾン酸化実験を行い，放射線酸化法の優位性が示されたとともに，反応メカニズムに関する間接的なサポートデータを得たのは意義深い成果だと考えている．
シームレス多孔性カーボン材料についてもX線回折分析・窒素吸着測定などの分析を進め，電極活性と試料構造について理解を進めることができ，こちらも重要な成果だと考えている．今後は昇温脱離測定によって表面の酸素官能基を評価することによって電極を高活性化する方法論を構築していきたい．
以上の当年度の成果の一部は論文および伝熱シンポジウム・化学工学会で発表した．
以上より，当年度も当初の目的に従って計画を遂行することができた．一部の研究については2021年度に実施する．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 |
放射線酸化を行った電極材料と空気酸化を行った電極材料に対して行う充放電試験について，新たに電気化学二重層容量の評価を行い，電圧効率・電池容量の低下要因が活性点の喪失によるものか表面積の減少によるものかを明らかにする．また，空気酸化（従来手法）では表面酸化の難しい結晶性の高いカーボン材料への放射線酸化を試みる．これまでに取得したデータと2021年度の検討により，カーボン材料への放射線酸化について活性・耐久性向上要因について理解を進める．電極材料構造について，2021年度は従来の反応速度・圧力損失の視点に加えて物質輸送速度についても着目し，電解液流量などをパラメータとして濃度過電圧を評価する．これまでに取得したデータと2021年度の検討により，カーボンの結晶性や表面酸素官能基量と活性の関係，連通マクロ孔構造と圧力損失の関係について理解を進める．なお，コロナ禍にともない，研究の効率的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 |
【残高が発生した理由】コロナ禍のため，研究を効率的に実施することが難しく，放射線酸化反応および多孔性炭素電極の構造設計について体系的に理解するために2021年度も電気化学測定や分析等を行う必要が生じたために繰り越した．
【使用計画】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・分析費用・学会参加費などとして執行する予定である．
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