固体電気化学反応に基づいたナノ材料の機能創出とエネルギー科学への展開

• 研究課題/領域番号: 17H03048
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機能物性化学
• 研究機関: 関西学院大学
• 研究代表者: 吉川 浩史 関西学院大学, 理工学部, 准教授 (60397453)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2019年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2017年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
• キーワード: 金属有機構造体 / 固体電気化学反応 / XAFS / 二次電池 / ジスルフィド / ポリオキソメタレート / イオン伝導度 / 金属錯体 / 固体物性 / ＸＡＦＳ / 電荷移動錯体 / 光触媒 / X線吸収微細構造分析 / 金属酸化物 / 半導体ナノ粒子 / 光学特性 / 電気化学 / 磁性

研究成果の概要

近年、環境問題やエネルギー問題などから、新しいエネルギー材料の開発が急務となっている。中でも高性能な蓄電機能を有する物質の開拓は、重要な研究課題の１つである。本研究では、より高い容量とエネルギー密度を有する二次電池の実現を目指して、金属イオンと酸化還元活性な有機配位子から成る多電子酸化還元活性『金属有機構造体（Metal-Organic Framework：MOF）』を新たに創製し、これを正極材料とすることで、金属イオンと有機配位子両方の酸化還元によるより大きな容量とMOFの強固な多孔性構造に基づいた安定なサイクル特性を実現する研究を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、多電子の酸化還元活性を示す金属有機構造体（MOF）を多数創製し、それらを正極とするリチウム電池の特性が従来のリチウムイオン電池よりも良いことを見出した。これまでに、酸化還元活性な配位子を有するMOFの電池特性は調べられておらず、学術的に非常に意義のある成果である。また、それらの電池反応機構を調べる過程で、デュアルイオン電池機構や電気化学的な動的S-S共有結合を見出すなど、次世代電池に必要な新しい原理現象を見出せた点でも非常に意義がある。なお、これらの新しい原理現象を基にした高性能な蓄電デバイスが実現できれば、産業界へのインパクトも含め、社会的に大きな意義がある。

研究成果

• [国際共同研究] University of Wollongong(オーストラリア)
• [国際共同研究] Zhengzhou University of Light Industry(中国)
• [国際共同研究] Universita di Trieste(イタリア)
• [国際共同研究] 鄭州軽工業学院(中国)
• [国際共同研究] トリエステ大学(イタリア)
• [国際共同研究] 鄭州軽工業学院/南開大学(中国)
• [国際共同研究] 鄭州軽工業学院(中国)
• [国際共同研究] メルボルン大学(オーストラリア)
• [国際共同研究] ノボシビルスク州立大学(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Selective Phosphorization Boosting High-performance NiO/Ni2Co4P3 Microspheres as Anode Materials for Lithium Ion Batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Ji Yan *, Xin-Bo Chang, Xiao-Kai Ma, Heng Wang, Yong Zhang, Ke-Zheng Gao, Hirofumi Yoshikawa *, Li-Zhen Wang
  • 雑誌名: Materials 巻: 134 号: 1 ページ: 21-21
  • DOI: 10.3390/ma14010024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] General synthesis of single-atom catalysts for hydrogen evolution reactions and room-temperature Na-S batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Wei-Hong Lai, Heng Wang, Lirong Zheng, Quan Jiang, Zi-Chao Yan, Lei Wang,* Hirofumi Yoshikawa, Daiju Matsumura, Qiao Sun, Yun-Xiao Wang,* Qinfen Gu, Jia-Zhao Wang, Hua-Kun Liu, Shu-Lei Chou,* Shi-Xue Dou
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 59 号: 49 ページ: 22171-22178
  • DOI: 10.1002/anie.202009400
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coordination Distortion Induced Water Adsorption in Hydrophobic Flexible Metal Organic Frameworks (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshinobu Kamakura, Arata Hikawa, Hirofumi Yoshikawa, Wataru Kosaka, Hitoshi Miyasaka, and Daisuke Tanaka
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 59 号: 64 ページ: 9106-9109
  • DOI: 10.1039/d0cc03772a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Concise, Single-step Synthesis of Sulfur-enriched Graphene: Immobilization of Molecular Clusters and Battery Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruka Omachi, Tsukasa Inoue, Shuya Hatao, Hisanori Shinohara, Alejandro Criado, Hirofumi Yoshikawa, Zois Syrgiannis, Maurizio Prato
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: － 号: 20 ページ: 7836-7841
  • DOI: 10.1002/anie.201913578
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] TTF-Annulated Silicon Phthalocyanine Oligomers and Their External-Stimuli-Responsive Orientational Ordering (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiina, Y. Kage, K. Furukawa, H. Wang, H. Yoshikawa, H. Furuta, N. Kobayashi, and S. Shimizu
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 59 号: 50 ページ: 22721-22730
  • DOI: 10.1002/anie.202011025
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reversible Control of Ionic Conductivity and Viscoelasticity of Organometallic Ionic Liquids by Application of Light and Heat (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Sumitani, Hirofumi Yoshikawa and Tomoyuki Mochida
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 56 号: 46 ページ: 6189-6192
  • DOI: 10.1039/d0cc02786c
  • NAID: 120006867368
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Porous Metal?Organic Frameworks Containing Reversible Disulfide Linkages as Cathode Materials for Lithium‐Ion Batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Takeshi、Wang Heng、Matsumura Daiju、Mitsuhara Kei、Ohta Toshiaki、Yoshikawa Hirofumi
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: － 号: 9 ページ: 2256-2263
  • DOI: 10.1002/cssc.201903471
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Zeolitic vanadomolybdates as high performance cathode-active materials for sodium ion battery (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhenxin Zhang*, Heng Wang, Hirofumi Yoshikawa*, Daiju Matsumura, Syuya Hatao, Satoshi Ishikawa, Wataru Ueda*
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 号: 5 ページ: 6056-6063
  • DOI: 10.1021/acsami.9b19808
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A new design strategy for redox-active molecular assemblies with crystalline porous structures for lithium-ion batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakashima Kensuke、Shimizu Takeshi、Kamakura Yoshinobu、Hinokimoto Akira、Kitagawa Yasutaka、Yoshikawa Hirofumi、Tanaka Daisuke
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 11 号: 1 ページ: 37-43
  • DOI: 10.1039/c9sc04175c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Semiconductive Nature of Lead-Based Metal?Organic Frameworks with Three-Dimensionally Extended Sulfur Secondary Building Units (2019)
  • 著者名/発表者名: Kamakura Yoshinobu、Chinapang Pondchanok、Masaoka Shigeyuki、Saeki Akinori、Ogasawara Kazuyoshi、Nishitani Shigeto R.、Yoshikawa Hirofumi、Katayama Tetsuro、Tamai Naoto、Sugimoto Kunihisa、Tanaka Daisuke
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 1 ページ: 27-32
  • DOI: 10.1021/jacs.9b10436
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tetracoordinate Boron-Fused Double [5]Helicenes as Cathode Active Materials for Lithium Batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: Oda Susumu、Shimizu Takeshi、Katayama Takazumi、Yoshikawa Hirofumi、Hatakeyama Takuji
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 21 号: 6 ページ: 1770-1773
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.9b00337
  • 査読あり
• [雑誌論文] In situ X-ray Absorption Fine Structure studies of amorphous and crystalline polyoxovanadate cluster cathodes for lithium batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Wang, J. Isobe, D. Matsumura, H. Yoshikawa
  • 雑誌名: Journal of Solid State Electrochemistry 巻: 7 号: 7 ページ: 2067-2071
  • DOI: 10.1007/s10008-018-3920-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reversible Batteries Based on Stable Redox Reactions of Disulfide Included in a Metal-Organic Framework as Ligands (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Shimizu, Heng Wang, Naoki Tanifuji, Daiju Matsumura, Masashi Yoshimura, Koji Nakanishi, Toshiaki Ohta, Hirofumi Yoshikawa
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 印刷中 号: 5 ページ: 678-681
  • DOI: 10.1246/cl.180121
  • NAID: 130006732216
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic Force Microscopy Study of the Influence of the Synthesis Conditions on the Single-Crystal Surface of Interdigitated Metal-Organic Frameworks (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Kamakura, N. Hosono, A. Terashima, S. Kitagawa, H. Yoshikawa, D. Tanaka
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 19 号: 17 ページ: 2134-2138
  • DOI: 10.1002/cphc.201800439
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of Hydrazine-Embedded Heterocyclic Compounds to High Voltage Rechargeable Lithium Organic Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Shimizu, Koji Yamamoto, Palash Pandit, Hirofumi Yoshikawa, Shuhei Higashibayashi
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 8 号: 1 ページ: 579-579
  • DOI: 10.1038/s41598-017-19037-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Performance Cathode Based on Microporous Mo?V?Bi Oxide for Li Battery and Investigation by Operando X-ray Absorption Fine Structure (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhang Zhenxin、Ishikawa Satoshi、Kikuchi Masaki、Yoshikawa Hirofumi、Lian Qi、Wang Heng、Ina Toshiaki、Yoshida Akihiro、Sadakane Masahiro、Matsumoto Futoshi、Ueda Wataru
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 9 号: 31 ページ: 26052-26059
  • DOI: 10.1021/acsami.7b07195
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of gamma-LiV2O5 from polyoxovanadate cluster Li7[V15O36(CO3)] as a high-performance cathode material and its reaction mechanism revealed by operando XAFS (2017)
  • 著者名/発表者名: Heng Wang, Jin Isobe, Takeshi Shimizu, Daiju Matsumura, Toshiaki Ina, Hirofumi Yoshikawa
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: 360 ページ: 150-156
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2017.06.011
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 分子ナノ材料の特異な蓄電機能 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史
  • 学会等名: ナノ学会主催 ナノ構造・物性－ナノ機能・応用部会 合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 分子および分子集積体の蓄電機能 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史
  • 学会等名: 錯体化学会若手の会 第7回ウェブ勉強会
  • 招待講演
• [学会発表] Potentiality of Polyoxometalate Materials as Battery Electrodes (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史
  • 学会等名: 錯体化学会第70回討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 分子および分子集積体の蓄電機能開拓 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉川 浩史
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] Rechargeable Batteries Using Redox-Active MOFs as Cathode Active Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Yoshikawa
  • 学会等名: 7th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC7)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cathode performances of porous organic crystals formed by charge-transfer interactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Yoshikawa
  • 学会等名: The 3rd Organic Battery Days
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochemical Performances of Polyoxometalate-based Nanomaterials (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Yoshikawa
  • 学会等名: 43rd International Conference on Coordination Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rechargeable Batteries of MOFs Including Disulfide Ligand (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Yoshikawa
  • 学会等名: The 2nd Organic Battery Days
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Battery Performances of Molecule-Integrated Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Yoshikawa
  • 学会等名: 2018 Nankai International Symposium on Advanced Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子および分子集積体の蓄電機能開拓 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史
  • 学会等名: 統合物質化学研究推進機構 第4回国内シンポジウム「物質創製化学の多様化と深化」
  • 招待講演
• [学会発表] 金属錯体マテリアルが示す蓄電機能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史
  • 学会等名: 錯体化学若手の会 第 58 回近畿支部勉強会
  • 招待講演
• [学会発表] グラフィティックカーボンナイトライドの電気化学デバイス特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史，清水剛志，荒井みゆ，栗原正人
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会 (2018)
• [学会発表] 架橋ジスルフィド配位子を有するCoおよびMn金属有機構造体の二次電池正極特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 清水 剛志，王 恒，松村 大樹，吉川 浩史
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会 (2018)
• [学会発表] Rechargeable Batteries Using Polyoxovanadate Related Compounds as Cathode Active Materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Yoshikawa, Heng Wang, Takeshi Shimizu
  • 学会等名: 6th Asian Conference on Coordination Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rechargeable Batteries Using Coordination Compounds (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Yoshikawa
  • 学会等名: The 100th Canadian Chemistry Conference, Toronto, Canada
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ポリオキソバナデートクラスター関連材料の電池特性と反応解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史，清水剛志，王恒
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会2017仙台
• [図書] 次世代電池用電極材料の 高エネルギー密度、高出力化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉川浩史、清水剛志ら他96名
  • 総ページ数: 602
  • 出版者: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861046858
• [備考] 吉川研究室
  • URL: http://www.kg-nanotech.jp/yoshikawa/
• [備考] http://www.kg-nanotech.jp/yoshikawa/
• [備考] http://www.kg-nanotech.jp/yoshikawa
• [産業財産権] スルフィドポリマー化合物、正極活物質、正極、及び非水系二次電池 (2017)
  • 発明者名: 宮内由紀夫、谷藤尚貴、吉川浩史
  • 権利者名: 四国化成
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-021728
  • 出願年月日: 2017