Preparation of sulfur-organic compound copolymers and their application to positive electrode material for magnesium secondary battery

• Project/Area Number: 16H04647
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Energy engineering
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: Tsutsumi Hiromori 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (90211383)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 上野 和英 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 特任教員(准教授) (30637377)
• Research Collaborator: Nigo Hideyuki
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2018: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2017: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2016: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 硫黄 / 二次電池 / 硫黄正極 / 共重合体 / マグネシウム / 正極材料 / 高エネルギー密度 / リチウム / アルケニル化合物 / リチウム-硫黄電池 / 電子・電気材料 / 高容量二次電池

Outline of Final Research Achievements

Various copolymers were synthesized by polymerization of sulfur as an eight-membered ring monomer and an organic compound having a double bond. The structures of these copolymers were clarified by various spectroscopic methods, and their electrochemical properties were evaluated. These copolymers showed electrochemical responses based on the reduction and re-oxidation of the polysulfide bond contained in the structure. The redox responses of these compounds depend not only on the length of the polysulfide chain contained but also on the structure of the organic compound used for copolymerization.
A secondary battery using these compounds as a positive electrode was constructed and the secondary battery system had a high capacity.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

携帯電子機器の発達に伴い高容量を持ちながら軽量な二次電池の必要性が高まっている。この要請に応えうる二次電池系として注目されている硫黄を含む有機化合物を用いた二次電池に関わるものである。特に硫黄と二重結合を有する有機化合物から得られる共重合体は、有機溶媒に可溶で有り、導電剤として用いる炭素材料との混和性が良いなどのメリットを有している。今回得られた共重合体は、いずれもこのようなメリットを有しており、二次電池用正極材料として用いることができることが明らかとなった。これらの共重合体を用いた二次電池を試作したところ、従来の二次電池に比べ、より多くのエネルギーを蓄えることができることが明らかとなった。

Research Products

• [Journal Article] Soluble sulfur-based copolymers prepared from elemental sulfur and alkenyl alcohol as positive active material for lithium-sulfur batteries (2017)
  • Author(s): Yamabuki Kazuhiro、Itaoka Kanae、Shinchi Takahiro、Yoshimoto Nobuko、Ueno Kazuhide、Tsutsumi Hiromori
  • Journal Title: Polymer Volume: 117 Pages: 225-230
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2017.04.040
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Steric effect on Li+ coordination and transport properties in polyoxetane-based polymer electrolytes bearing nitrile groups (2017)
  • Author(s): Sai Ryansu、Ueno Kazuhide、Fujii Kenta、Nakano Yohei、Tsutsumi Hiromori
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 7 Issue: 60 Pages: 37975-37982
  • DOI: 10.1039/c7ra07636c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of polar side chains in Li+ coordination and transport properties of polyoxetane-based polymer electrolytes (2017)
  • Author(s): Ryansu Sai , Kazuhide Ueno, Kenta Fujii , Yohei Nakano , Naho Shigaki and Hiromori Tsutsumi
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 19 Issue: 7 Pages: 51855194-51855194
  • DOI: 10.1039/c6cp08386b
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 種々の硫黄鎖長をもつ有機硫黄化合物のリチウム硫黄電池正極材料への応用 (2018)
  • Author(s): 橋本啓太郎、片山 祐、堤 宏守
  • Organizer: 第33回中国四国地区高分子若手研究会
• [Presentation] 有機硫黄化合物を正極材料とするLi-S 電池における硫黄鎖長の電池特性への影響 (2018)
  • Author(s): 橋本啓太郎、片山 祐、堤 宏守
  • Organizer: 2018年日本化学会中国四国支部大会
• [Presentation] 層間を有する高分散性エッジ剥離黒鉛への硫黄導入法の検討とそのLiS電池正極としての応用 (2018)
  • Author(s): 上杉 奈菜美、片山 祐、野里 省二、中谷 博之、上野 和英、堤 宏守
  • Organizer: 2018年電気化学秋季大会
• [Presentation] ニトリル基を側鎖に有するポリオキセタン電解質の特性評価とリチウムイオン電池への応用 (2017)
  • Author(s): 崔 亮秀、上野和英、堤 宏守
  • Organizer: 第58回電池討論会
• [Presentation] リチウム硫黄電池における多硫化リチウムおよび分子性硫黄の溶解性支配因子 (2017)
  • Author(s): 上野和英、余語裕隆、都築誠二、堤 宏守、獨古 薫、渡邉正義
  • Organizer: 第58回電池討論会
• [Presentation] 階層的な細孔を有する多孔性炭素繊維と硫黄の複合体の調製とその正極材料への応用 (2017)
  • Author(s): 久光 惇、上野和英、堤 宏守
  • Organizer: 第58回電池討論会
• [Presentation] ニトリル基側鎖を有したポリオキセタン電解質によるリチウムイオン輸送の特性評価 (2017)
  • Author(s): 崔 亮秀、上野和英、堤 宏守
  • Organizer: 第66回高分子討論会
• [Presentation] 硫黄－アルケニル化合物共重合体の合成とそのLi-S 電 池用正極材料への応用 (2016)
  • Author(s): 板岡加成恵、長田浩平、吉本信子、堤 宏守、山吹一大
  • Organizer: 第65回高分子討論会
  • Place of Presentation: 神奈川大学（神奈川県・横浜市）
• [Presentation] 異なる側鎖構造を有するポリオキセタン誘導体をマ トリックスとする高分子固体電解質の特性評価 (2016)
  • Author(s): 崔 亮秀、平田晴子、上野和英、堤 宏守
  • Organizer: 第65回高分子討論会
  • Place of Presentation: 神奈川大学（神奈川県・横浜市）
• [Presentation] 長鎖アルキル基を有するアルケニル化合物と硫黄 からなる共重合体の調製とその電気化学的特性評価 (2016)
  • Author(s): 長田浩平、板岡加成恵、山吹一大、上野和英、堤 宏守
  • Organizer: 第65回高分子討論会
  • Place of Presentation: 神奈川大学（神奈川県・横浜市）
• [Presentation] 多孔質カーボン内包硫黄-有機化合物の調製とその正極材料への応用 (2016)
  • Author(s): 長田浩平、板岡加成恵、山吹一大、上野和英、堤 宏守
  • Organizer: 第57回電池討論会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）