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2011 Fiscal Year Annual Research Report

多核金属錯体-ナノカーボン複合体の新規物性開拓

Research Project

Project/Area Number 23685029
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

吉川 浩史  名古屋大学, 理学研究科, 助教 (60397453)

Keywords多核金属錯体 / カーボンナノチューブ / 電池特性 / グラフェン / in situ計測
Research Abstract

次世代スピン/エレクトロニクスデバイスに応用可能な高機能材料の開発を考えると、分子一つ一つの磁気/電子機能を最大限に引き出せる物質系の創製が必要不可欠である。本研究では、そのような物質系の開発を目的に、高い電気伝導性や大きな比表面積などから注目を集めているナノカーボンと多彩な電気・磁気機能を有する多核金属錯体分子(分子クラスター)からなるナノ複合体の創製を行い、蓄電デバイス(二次電池)への応用を試みた。
今年度は、多核金属錯体分子であるポリオキソメタレート(POM)と単層カーボンナノチューブ(SWNT)からなるナノ複合体について、両者の重量比を様々に変化せたナノ複合体を計14種類作成することに成功するとともに、それらを正極とする電池の特性を検討した。その結果、ある比率の複合体において、約600h/kg以上という非常に高い放電容量を見出した。この値は複合化前のPOM電池の約2.5倍である。また、充電時間に関しても、従来のリチウムイオン電池と同程度の容量を得るのに8分程度と急速充電を実現することができた。さらに、SWNTから発展させて、二次元のナノカーボンであるグラフェンとのナノ複合化にも取り組み、SWNTの場合よりも大きな容量を見出すことに成功しつつある。このようにナノ複合化が、分子クラスターの蓄電機能を向上させるうえで重要な手段となることを示した。
本研究では、このナノ複合化による蓄電機能向上の原因を探るため、in situ XAFSやin situ NMR測定法を独自に開発して詳細を調べ、分子クラスターの数十電子にもおよぶ超還元とナノ複合化で誘起される電気二重層キャパシタの両方が要因であることを突き止めた。このような知見は、真の次世代二次電池を開発するうえで、非常に重要な概念となると期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

単層カーボンナノチューブとのナノ複合化により、予想を超える高容量、急速充電が実現できた点で計画以上に進展したと言える。また、カーボンナノチューブから発展させて、二次元のグラフェンともナノ複合化に成功したこととその複合体においてさらに大きな容量を得ることができたのは、非常に大きな成果である。なお、in situ計測により、高性能二次電池開発に向けての指針を得たのも計画以上に進展したと考える理由の一つである.

Strategy for Future Research Activity

今年度見出したグラフェンとのナノ複合体についてさらに詳細を調べ、より高性能な蓄電機能の開拓に取り組む。また、より高次のナノカーボンである3次元ナノポーラスカーボン(NPC)を開発し、NPCと分子クラスターのナノ複合化を検討する。なお、これらのナノ複合体について、蓄電機能だけではなく、触媒やその他の機能の開拓も目指す。最終的には、in situ測定法を駆使して、これらの機能の本質に迫り、新しい学理を探求することを目標とする。

  • Research Products

    (14 results)

All 2012 2011 Other

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] In operando XAFS Studies of Polyoxometalate Molecular Cluster Batteries : Polyoxometalates as Electron Sponges2012

    • Author(s)
      Heng Wang
    • Journal Title

      J.Am.Chem.Soc.

      Volume: 134 Pages: 4918-4924

    • DOI

      10.1021/ja2117206

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystal structure, spin polarization, solid-state electrochemistry and high n-type carrier mobility of a paramagnetic semiconductor : vanadyl tetrakis(thiadiazole)porphyrazine2012

    • Author(s)
      Yasuhito Miyoshi
    • Journal Title

      Inorg.Chem.

      Volume: 51 Pages: 456-462

    • DOI

      10.1021/ic201880g

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Growth of large-diameter (~4nm) single-wall carbon nanotubes in the nanospace of mesoporous material SBA-152011

    • Author(s)
      Keita Kobayashi
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 49 Pages: 5173-5179

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2011.07.033

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nanohybridization between Polyoxometalate Clusters and SWNTs : Appli cations to Molecular Cluster Batteries2011

    • Author(s)
      Naoya Kawasaki
    • Journal Title

      Angew.Chem.Int.Ed.

      Volume: 50 Pages: 3471-3474

    • DOI

      10.1002/anie.201007264

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In-situ XAFS studies of Mn12 molecular cluster batteries : super-reduced Mn12 clusters in solid-state electrochemistry2011

    • Author(s)
      Heng Wang
    • Journal Title

      Chem.Asian J.

      Volume: 6 Pages: 1074-1079

    • DOI

      10.1002/asia.201000782

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 分子クラスターを利用した2次電池2011

    • Author(s)
      吉川浩史
    • Journal Title

      表面技術

      Volume: 62 Pages: 486-490

  • [Journal Article] 固体電気化学が拓く新しい分子クラスターの科学-分子クラスター電池の開発2011

    • Author(s)
      吉川浩史
    • Journal Title

      化学と工業

      Volume: 64 Pages: 957

  • [Presentation] 多核金属錯体を用いた新しい二次電池の開発と反応機構解明2012

    • Author(s)
      吉川浩史
    • Organizer
      日本化学会第92春季年会
    • Place of Presentation
      慶応大学(横浜)(招待講演)
    • Year and Date
      2012-03-25
  • [Presentation] Capacitance Effects in Molecular Cluster Batteries2011

    • Author(s)
      Hirofumi Yoshikawa
    • Organizer
      the 3rd Asian Conference on Coordination Chemistry
    • Place of Presentation
      India Habitat Center, New Delhi, India
    • Year and Date
      2011-10-19
  • [Presentation] 分子クラスター電池におけるキャパシタ効果の解明2011

    • Author(s)
      古川浩史
    • Organizer
      第5回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(札幌)
    • Year and Date
      2011-09-20
  • [Presentation] 固体電気化学が誘起する分子クラスター高還元状態のin situ XAFS研究2011

    • Author(s)
      吉川浩史
    • Organizer
      第14回XAFS討論会
    • Place of Presentation
      分子研(岡崎)
    • Year and Date
      2011-09-10
  • [Presentation] 有機二次電池における構成部材と要求特性--各種構成部材とそこに求められる特性と課題2011

    • Author(s)
      吉川浩史
    • Organizer
      技術情報協会セミナー
    • Place of Presentation
      北とぴあ(東京)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-07-26
  • [Presentation] 多核金属錯体分子を活物質とした分子クラスター電池の開発2011

    • Author(s)
      吉川浩史
    • Organizer
      社団法人新化学技術推進協会新素材技術部会講演会
    • Place of Presentation
      東京(招待講演)
    • Year and Date
      2011-04-15
  • [Remarks]

    • URL

      http://advmat.chem.nagoya-u.ac.jp/yoshikawa.html

URL: 

Published: 2013-06-26  

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