2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of Soft Solid Electrolytes for All-Solid-State Magnesium Secondary Batteries
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22K19072
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
藤田 正博 上智大学, 理工学部, 教授 (50433793)
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2022-06-30 – 2025-03-31
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| Keywords | 柔粘性イオン結晶 / 固体電解質 / マグネシウムイオン伝導体 / 固相間転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
柔粘性イオン結晶（IPC）は可塑性を有する柔らかい結晶であり、熱・電気化学的安定性に優れ、イオン伝導性を示すことから新規固体電解質として期待される。今年度は、固体でありながら電解液の導電率に匹敵する高イオン伝導性IPCを開発することに注力した。まず、側鎖長の異なる2種類のピロリジニウムカチオン（エチルメチルピロリジニウムカチオン（P12）、ジエチルピロリジニウムカチオン（P22））と2種類のスルホニルアミドアニオン（ビスフルオロスルホニルアミド（FSA）、ビストリフルオロメチルスルホニルアミド（TFSA））を組み合わせた4種類のIPCを合成した。これらIPCにMg塩を添加し、IPCのイオン構造、およびMg塩濃度が固体電解質の諸特性に及ぼす効果を調査した。IPC/Mg塩複合体の相転移挙動、結晶構造、Mg塩解離度、電気化学特性は、アニオンの構造によって大きく変化した。FSA系IPC複合体はMg塩濃度の増加に伴い、アモルファス化した。TFSA系IPC複合体はMg塩濃度の増加に伴い融点が低下した。ラマン分光測定より、FSA系IPC複合体はMg塩の解離が促進され、TFSA系IPC複合体はMgとTFSA間でクラスターイオンを形成していることが示唆された。IPC/Mg塩複合体のイオン伝導度は、いずれの系においても、Mg塩濃度の増加に伴い向上した。サイクリックボルタンメトリーを行った結果、Mgの酸化還元挙動が観測された。IPC/Mg塩複合体は、Mgイオン伝導体として機能することがわかり、意義深い成果である。
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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
高Mgイオン伝導性IPC電解質を開発するため、4種類のピロリジニウム塩を合成した。諸特性に及ぼすカチオンのアルキル側鎖長、アニオン構造の効果を詳細に検討するため、それらピロリジニウム塩に所定量のMg塩を添加して、それら複合体の熱分析、インピーダンス測定、Ｘ線回折測定、輸率測定など計画通りに基礎物性を集積した。これら一連の測定結果から、高Mgイオン伝導性を有するIPCやMg塩の構造因子について知見を得ることができた。初年度に目標としていたイオン伝導度も達成したため、本研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
イオン伝導度に関しては、初年度の目標値を達成したものの、電解液のイオン伝導度と比較すると、まだ低く、さらに1桁以上の向上が必要である。さらなるイオン伝導度の向上には、IPC自身のイオン伝導性を向上させることが効果的である。マテリアルズ・インフォマティクスを用いて、材料開発を加速させる。さらに、Mg塩の種類も増やすことで、最適な組み合わせを探索し、電解液に匹敵する高Mgイオン伝導性IPC電解質を開発する。一方、初年度に開発したMgイオン伝導性IPC電解質を用いて、セルの作製に着手する。セルの充放電試験などを繰り返し行い、デバイス作製条件の最適化についても並行して進めることで、本研究を推進する。
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