2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of High-density Redox Fluid for Charge Storage
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18K19120
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
小柳津 研一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90277822)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 有機電極活物質 / ナノ粒子 / 電荷貯蔵 / 電子授受 / レドックスフロー電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子交換に基づく電荷伝播現象の解析を手段とし，レドックス活性コロイド流体に蓄電容量密度の限界は存在するのかといった問いへの挑戦を通して、高密度レドックス流体を与えるナノ構造体を創出し、ナノ粒子間の交換反応に基づく電荷輸送・貯蔵機構の解明を経て、高速・大容量フロー蓄電の基礎原理を明確にすることを研究目的とした。
具体的には，有機安定ラジカル種の可逆で速い一電子授受に着目し、ラジカルを電荷交換席として繰返し単位あたり高密度に置換した非晶質ポリマーが水系電解質に分散したナノ粒子の形態で高密度蓄電を担う、斬新な有機フロー活物質を創製することを目指した。その方法論として、電荷貯蔵を担うポリマー粒子の有用性を ①斬新なレドックス席の創出と、電荷貯蔵過程における電子・イオン輸送の解明を基軸とした普遍化、②ナノ粒子の物質移動制御に立脚した高速電荷蓄積の実証を経て ③レドックスフロー活物質の創出へと繋げること、などの点で明確にし，有機フロー電池のプロトタイプを動作実証した。成果の概要は以下の通り。
(1) 高分散性を有する高密度レドックスポリマー粒子の創出：水系電解質で電位差1 V以上を与える電子授受席ペアを選定し、分散性もたせたマトリクスポリマー粒子に集積させた。電子授受席を当重量小さく有するポリマーをナノ粒子として与える重合法を確立した。生成ポリマーの構造決定、架橋度と電気化学特性の相関解明、容量密度の導出を経て、理論容量に近い実測値を引き出せる粒子径と電解液条件を明確にした。電位差に相応した電圧発生、電極反応速度定数を反映したレート特性を確かめ、試作セルでフロー活物質としての安定性・耐久性を明らかにした。
(2) 分散粒子の電子交換に基く蓄電現象の物理化学：水系電解液に分散させた高密度レドックスポリマー粒子の充放電特性の解明に着手し，次年度の展開に繋げるための基礎知見として整理した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
レドックス活性な有機ナノ構造体を用いた蓄電デバイスを創製し、競合技術であるリチウムイオン電池やバナジウムレドックスフロー電池、燃料電池などにおいて不可欠の要素となっているコバルト、バナジウム、りん状黒鉛、白金族元素などの希少原料を一切使用しない、有機物のみで構成された大容量蓄電技術としての可能性を見出しており，これらは当初の予想を超えた展開につながっている。
具合的には，有機ナノ構造体を水系電解質からなるレドックスフロー電池の活物質として適用することにより、パワーおよびエネルギー密度を両立できる可能性を明確に示すに至っている。一般に金属元素を用いた電池のスケール性がコスト面で制約されるのに対し、資源の限界や地域性の問題なく、ありふれた元素のみで構成された有機物でレドックス活性を引き出すことにより、大規模蓄電を支える持続可能な基礎原理になりうるとの手応えに繋がっている。
以上の本年度成果は，申請時に想定した初年度進捗を上回るものと考えており，初年度成果を基盤として次年度は当初計画を前倒しで進捗させ，研究期間終了までに具体的成果を固めるとともに，次なるプロジェクトに進めるための足がかりを確立できる見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度成果を承け，第２年度は当初計画を前倒しで進捗させ，想定する有機フロー電池に関する具体的知見を集積するとともに，最終第３年度の取りまとめに向けた成果基盤を構築する。
具体的には，将来の実用化に耐える化学的ロバスト性、高分子（材料）としての汎用性および社会実装に適うレベルのエネルギー密度を備えた斬新な有機ナノ構造体を創出するために、レドックス活性基を活性維持したまま極限まで有機マトリクスに凝縮する方法論を，多様な有機物質群を用いて展開することが今後の課題である。すなわち，有機ポリマー粒子としての多様性を拡張し，従来の有機デバイスでの限界につながる集電体表面の副反応や凝集、結晶化などの問題を解決することを目指して展開する。併せて、中性付近の水系電解質を適用することにより、コスト面での優位性や環境負荷低減など，有機フロー活物質ならではのメリットを明確にすることを計画している。
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