2021 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, 工学部, 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 – 2023-03-31
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| Keywords | 硫黄 / 共重合体 / 二次電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム硫黄電池は理論容量1670ｍA/gと従来のリチウムイオン電池の10倍以上の高容量をもち、硫黄が安価な物質であることから、次世代二次電池として期待されているが、ポリスルフィドの溶出により、サイクルが進むにつれ容量が大幅に減少することが問題となっている。本研究では、電気化学反応中の硫黄の溶出を防ぐことを目的に、硫黄をアリージチオールで架橋した逆加硫体や硫黄とアルコールを反応させてできる共重合体(硫黄-炭素複合体(SAC))の創製を試み、その電気化学特性を検討した。
一般的な第一級および第二級アルコールや、置換基として塩素や臭素を有するアルコールなどを硫黄と反応させて、計12種類のSACを合成した。得られた物質のIR測定からアルコールの存在が、XRD測定から硫黄の存在が確認され、完全には反応が起きていないことが分かった。また、各サンプルをペレットにしたものの抵抗率を測定したところ、全てが絶縁体であった。続いて、それぞれの電池特性を検討したところ、2-ヘキサノール、オクタノール、クロロブタノールと硫黄から成る複合体の容量やサイクル特性が比較的良好であった。これらはいずれも初期容量1600 mAh/g以上を示し、100サイクル後も700 mAh/g以上を維持した。とりわけ、2-ヘキサノールと硫黄の複合体は100サイクル後でも800 mAh/g以上を維持していた。このような容量及びサイクル特性は、いずれも硫黄単体よりも優れた結果であり、硫黄-炭素複合体において、ポリスルフィドなどの溶出を抑えられたためではないかと考えている。一方で、どのようなアルコールと反応させるとよいかなどは、得られた物質の構造が明らかでないために分かっていない。今後は、構造解明を含め、このように電池特性が良くなった原因について解析していく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
様々な有機物と硫黄を反応させることで、逆加硫体や共重合体を得、その電池特性を検討したところ、硫黄単体よりも大きな実容量と良いサイクル特性を得ることに成功している。一方で、当初の目的であったテトラチアフルバレン部位などの電子活性部位を有する有機物と硫黄の反応は完全には成功しておらず、現在進行中である。さらに、上述の容量が大きくなった理由やサイクル特性が大きくなった理由を完全に解明することができていない。これらを遂行できれば、本研究課題の目的はすべて達成できたといえるが、現時点では、少し遅れていると言うしかない。
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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や共重合体の創製が、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や炭化水素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、それに伴い、得られた成果を公表する準備を進めていく予定である。
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| Causes of Carryover |
研究の進捗状況でも述べたように、逆加硫体や共重合体の合成およびそれらの電池作製と測定にあたって、すでに研究室内にある試薬やガラス器具、電池部品や計測装置をある程度利用できたため、その点での支出が過少となった。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、電子活性部位を有する高分子の創製に必要となる試薬などに研究費は使用されるとともに、その研究に従事する大学院学生への謝金や得られた成果の公表などに用いられる予定である。
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