2022 Fiscal Year Annual Research Report
金属有機構造体を正極活物質とした、正極/電解液界面における脱溶媒和の制御
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21K14727
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| Research Institution | Yonago National College of Technology |
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Principal Investigator |
清水 剛志 米子工業高等専門学校, 総合工学科, 特命助教 (50845386)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 電極|電解液界面 / 脱溶媒和 / 金属有機構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、リチウムイオン電池の高速充放電を実現するため、電極反応を効率化する活物質の設計が求められている。リチウムイオン電池の電極表面では、電極|電解液界面におけるリチウムイオンの脱溶媒和とリチウムイオン挿入を進行するため、活物質表面の設計が重要であり、特に脱溶媒和の促進に関する知見はリチウムイオン電池の高速充電に大きく貢献する。そこで、申請者は、溶媒分子のカルボニル基、および金属イオンFe3+と配位子テレフタル酸からなる金属有機構造体MOF MIL-101(Fe)に着目し、配位子への親水基NH2導入による電極反応の制御を考案した。すなわち、活物質とするMIL-101(Fe)の配位子テレフタル酸をアミノテレフタル酸に置き換え、活物質表面の親水基NH2とカルボニル基との水素結合を駆動力とすることで、電極|電解液界面におけるリチウムイオンの脱溶媒和を促進できると考えた。本研究では、MIL-101(Fe)の配位子テレフタル酸をアミノテレフタル酸に置き換えて作製したMIL-101(Fe)-NH2を用いて、親水基のNH2導入による電池特性と表面状態との相関に関する知見を得た。
まず、MIL-101(Fe)-NH2およびMIL-101(Fe)を正極活物質としたリチウムイオン電池の充放電測定を行ったところ、MIL-101(Fe)-NH2はMIL-101(Fe)よりも大きな容量と小さな電荷移動抵抗を示した。次に、立命館大学SRセンターにおいてFe LII, III-edge X線吸収微細構造測定を行ったところ、MIL-101(Fe)-NH2表面のFeイオンの価数が3+を保っていたのに対し、MIL-101(Fe)の表面では一部のFeイオンの価数が2+に還元されていた。ただし、MIL-101(Fe)-NH2およびMIL-101(Fe)のバルクにおけるFeイオンは、ともに3+を示した。これは、活物質の表面における価数の違いによって電池性能が大きく変化することを意味する。本研究結果は、2021年に立命館大学SRセンターの紀要に投稿・掲載されており、置換基の導入によって電池特性を改善できる知見を公表した。
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