2020 Fiscal Year Research-status Report
電子活性部位を有する新規硫黄共重合体の創製に基づいた高性能硫黄二次電池の開発
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19K22222
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
吉川 浩史 関西学院大学, 理工学部, 准教授 (60397453)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷藤 尚貴 米子工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (80423549)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 加硫 / 二次電池 / XAFS / 硫黄 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム硫黄電池は1670ｍAｈ/gと従来のリチウムイオン電池の10倍以上の理論容量をもつため、次世代二次電池として期待されている。しかしながら、放電過程におけるS-S結合の開裂によってシャトル効果が生じ、多硫化リチウムが生成するため、可逆容量が急激に低下する。本研究では、化学結合などによりシャトル効果をおさえ、高エネルギーのリチウム硫黄電池を開発するため、BDT（Benzene-4,4’-dithiol)及びBPT(Biphenyl-4,4`-dithiol)の逆加硫体を正極に用いた研究を行った。
今年度は、硫黄とBDTがある比率で逆加硫された物質をカーボンナノチューブなどと複合化させることにより、その正極特性がどうなるかを検討した。その結果、カーボンコートセパレータを用いることで、1000mAh/gを越える容量と安定なサイクル特性を見出すことができた。このように、逆加硫とナノチューブとの複合化により、シャトル効果が一定程度抑えられ、電池特性を改良することに成功した。
一方で、別の試みとして、ジスルフィド部位を含む配位子を有する金属有機構造体(DS-MOF)を用いて、可逆なジスルフィドの酸化還元反応を引き起こすことを検討した。その結果、三次元構造をもつDS-MOFにおいてより安定なサイクル特性が見出されるとともに、S K-edge XAFSにより、充放電で可逆なS-S結合の酸化還元反応が起きていることを明らかにした。このような電気化学反応による動的共有S-S結合は、MOFのようなソフトクリスタル中においてのみ可能であり、高性能な硫黄電池を開発するうえでの大きな手掛かりを得た。
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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
リチウム硫黄電池の性能改善に向けて、放電過程におけるS-S結合の開裂に伴う不可逆な多硫化リチウムの生成（シャトル効果）を抑制する試みと、さらに大きな電池容量の獲得を本研究の目的とした。現在までに、化学結合などによるシャトル効果の抑制を目指して、BDT(Benzene-4,4'-dithiol)により硫黄を架橋するという手法（逆加硫体の創製）を検討したところ、従来のリチウム硫黄電池よりも大きな容量と広い電圧平坦領域（プラトー）が見られるとともに、サイクル特性も改善された。この結果は、我々の方法論が硫黄電池の高性能化に有用であることを示すものであり、研究はおおむね順調に進展していると考えている。さらに、別の展開として、金属有機構造体の骨格にジスルフィド部位を挿入することでも硫黄電池の不安定さを改善できることが明らかとなり、研究は順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの研究において、硫黄に架橋分子を入れるという逆加硫体の創製が、硫黄電池の高性能化に向けて非常に重要であることが分かりつつある。しかしながら、逆加硫体にはベンゼン系の部位が挿入されているだけで、より多電子の酸化還元反応を示すテトラチアフルバレン（TTF）骨格を逆加硫体に取り込むことで、硫黄電池のさらなる高容量化とサイクル特性の向上が期待され、今後はこのような研究を推進していく予定である。
また、ポリアクリロニトリルなどとの重合化も効果的だと思われ、今後はそのような研究も推進していく予定である。
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| Causes of Carryover |
今年度は、主に、逆加硫体を合成するための試薬やガラス器具などに使用された。幸い、これらの逆加硫体合成にあたって、すでに研究室内にある試薬やガラス器具で事足りたため、大きな支出をする必要がなかった。また、このように作製した逆加硫体の電極作製や電池作成、さらには電池特性の計測にあたって、既存の装置や部材などを利用することで事足りたため、それらへ支出する必要もあまりなかった。その結果、次年度使用額が生じた。
今後の使用計画であるが、様々な逆加硫体の合成やそのキャラクタリゼーションのために多額の消耗品費の使用を計画している。また、実際の合成や電池特性を行う大学院生らへの謝金としても使用することを計画しており、それによって、電子活性部位導入による硫黄電池の高性能化という本研究の目的を達成できると考えている。
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[Journal Article] General synthesis of single-atom catalysts for hydrogen evolution reactions and room-temperature Na-S batteries2020
Author(s)
Wei-Hong Lai, Heng Wang, Lirong Zheng, Quan Jiang, Zi-Chao Yan, Lei Wang,* Hirofumi Yoshikawa, Daiju Matsumura, Qiao Sun, Yun-Xiao Wang,* Qinfen Gu, Jia-Zhao Wang, Hua-Kun Liu, Shu-Lei Chou,* Shi-Xue Dou
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Journal Title
Angew. Chem. Int. Ed.
Volume: 59
Pages: 22171-22178
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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