高密度レドックス流体：蓄電科学を革新する新原理の探索

• 研究課題/領域番号: 18K19120
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分35:高分子、有機材料およびその関連分野
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 小柳津 研一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90277822)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2018年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 有機電極活物質 / ナノ粒子 / 電荷貯蔵 / 電子授受 / レドックスフロー電池

研究成果の概要

「レドックス活性なコロイド流体に蓄電容量密度の限界は存在するか」といった問いへの挑戦を通して，高密度レドックス流体を与える高分子ナノ粒子を創出した。また，ナノ粒子間の交換反応に基づく電荷輸送・貯蔵機構を解明し，高速・大容量フロー蓄電の基礎原理を明確にした。
具体的には，有機安定ラジカル種の可逆で速い一電子授受に着目し，ラジカルを電荷交換席として繰返し単位あたり高密度に置換した非晶質ポリマーによる高速電荷輸送を実現した。この高分子を活物質とした有機ラジカル電池を動作実証し，高分子が水系電解質に分散したナノ粒子の形態で高密度蓄電を担う斬新な有機フロー活物質を創製した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高密度レドックス高分子のナノ粒子は，有機レドックスフロー電池の活物質として有用であることを明らかにした。有機フロー活物質をカソライトおよびアノライトとして用い，多孔質セパレータを組み合わせた有機レドックスフロー電池を試作した。これを用いて，充放電のサイクル特性やレート特性など，蓄電に関わる基礎的性質を明らかにし，ナノ粒子当たりの定量的な電荷貯蔵により，高密度レドックス流体として振る舞うことを明確にした。これは，有機物のみで構成された環境合致の蓄電デバイスであり，大容量蓄電にも適合する次世代型の大型電源としての可能性を有することを明確にした。

研究成果

• [雑誌論文] Ultrahigh oxygen-scavenging norbornene copolymers bearing imidazolyl iron complexes for fabricating active and sustainable packaging films (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Yu、Hasegawa Yui、Serikawa Takuma、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 号: 6 ページ: 964-967
  • DOI: 10.1039/c9cc08788e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facile Synthesis of Isotactic Polyacrylonitrile via Template Polymerization in Interlayer Space for Dielectric Energy Storage (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Yu、Nakamura Ryota、Suga Takeo、Li Shengtao、Ohki Yoshimichi、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: ACS Applied Polymer Materials 巻: 2 号: 2 ページ: 775-781
  • DOI: 10.1021/acsapm.9b01074
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] AI-Assisted Exploration of Superionic Glass-Type Li+ Conductors with Aromatic Structures (2020)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato Kan、Tezuka Toshiki、Umeki Momoka、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 7 ページ: 3301-3305
  • DOI: 10.1021/jacs.9b11442
  • 査読あり
• [雑誌論文] Poly(dihydroxybenzoquinone): its high-density and robust charge storage capability in rechargeable acidic polymer?air batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Furukawa Shuhei、Murao Saki、Oka Tatsuya、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 号: 29 ページ: 4055-4058
  • DOI: 10.1039/d0cc00660b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metal-free, Solid-state, and Paper-like Rechargeable Batteries Consisting of Redox-active Polyethers (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato; T. Tezuka; R. Ichinoi; S. Matsumono; K. Sadakuni; K. Oyaizu
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: 13 号: 9 ページ: 2443-2448
  • DOI: 10.1002/cssc.201903175
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast Charge/Discharge by a 99.9% Conventional Lithium Iron Phosphate Electrode Containing 0.1% Redox-active Fluoflavin Polymer (2020)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato Kan、Akahane Tomoki、Go Choitsu、Kaseyama Takahiro、Yoshimoto Takuji、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: in press 号: 5 ページ: 1712-1217
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00622
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conducting Redox Polymer as a Robust Organic Electrode‐Active Material in Acidic Aqueous Electrolyte towards Polymer?Air Secondary Batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Kouki Oka; Christian Strietzel; Rikard Emanuelsson; Hiroyuki Nishide; Kenichi Oyaizu; Maria Str?mme; Martin Sj?din
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: 13 号: 9 ページ: 2280-2285
  • DOI: 10.1002/cssc.202000627
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phenolic antioxidant-incorporated durable perovskite layers and their application for a solar cell (2020)
  • 著者名/発表者名: Suwa Koki、Suga Takeo、Oyaizu Kenichi、Segawa Hiroshi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: MRS Communications 巻: 10 号: 2 ページ: 312-316
  • DOI: 10.1557/mrc.2020.25
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible Hydrogen Fixation and Release under Mild Conditions by Poly (vinylquinoxaline) (2020)
  • 著者名/発表者名: Kouki Oka; Yusuke Kaiwa; Shuhei Furukawa; Hiroyuki Nishide; Kenichi Oyaizu
  • 雑誌名: ACS Applied Polymer Materials 巻: 2 号: 7 ページ: 2756-2760
  • DOI: 10.1021/acsapm.0c00338
  • 査読あり
• [雑誌論文] Allylic hydrocarbon polymers complexed with Fe(II)(salen) as a ultrahigh oxygen-scavenging and active packaging film (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Yu、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Pure and Applied Chemistry 巻: 92 号: 6 ページ: 871-882
  • DOI: 10.1515/pac-2020-0102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge-transfer Complexes for Solid-state Li+ conduction (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato; M. Umeki; T. Tezuka; K. Oyaizu
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Matererials 巻: 2 号: 7 ページ: 2211-2217
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00393
  • 査読あり
• [雑誌論文] Integrating Multiple Materials Science Projects in a Single Neural Network (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato; K. Oyaizu
  • 雑誌名: Communications Matererials 巻: 1 号: 1 ページ: 49-49
  • DOI: 10.1038/s43246-020-00052-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Conducting Redox Polymer as Organic Anode Material for Polymer‐Manganese Secondary Batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Kouki Oka; Rebecka L?fgren; Rikard Emanuelsson; Hiroyuki Nishide; Kenichi Oyaizu; Maria Str?mme; Martin Sj?din
  • 雑誌名: ChemElectroChem 巻: 7 号: 15 ページ: 3336-3340
  • DOI: 10.1002/celc.202000711
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Polymer Sheet‐Based Hydrogen Carrier (2020)
  • 著者名/発表者名: Kouki Oka; Yusuke Kaiwa; Miho Kataoka; Ken‐ichi Fujita; Kenichi Oyaizu
  • 雑誌名: European Journal of Organic Chemistry 巻: 36 号: 36 ページ: 5876-5879
  • DOI: 10.1002/ejoc.202001004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Methoxy-Substituted Phenylenesulfide Polymer with Excellent Dispersivity of TiO2 Nanoparticles for Optical Application (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Seigo、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 93 号: 11 ページ: 1287-1292
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200170
  • NAID: 130007939797
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rechargeable proton exchange membrane fuel cell containing an intrinsic hydrogen storage polymer (2020)
  • 著者名/発表者名: Junpei Miyake; Yasunari Ogawa; Toshiki Tanaka; Jinju Ahn; Kouki Oka; Kenichi Oyaizu; Kenji Miyatake
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 3 号: 1 ページ: 138-138
  • DOI: 10.1038/s42004-020-00384-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reversible Reduction of the TEMPO Radical: One Step Closer to an All-organic Redox Flow Battery (2020)
  • 著者名/発表者名: L. Wylie; T. Blesch; R. Freeman; K. Hatakeyama-Sato; K. Oyaizu; M. Yoshizawa-Fujita; E. I. Izgorodina
  • 雑誌名: ACS Sustainable Chemistry & Engineering 巻: 8 号: 49 ページ: 17988-17996
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c05687
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge- and Proton-Storage Capability of Naphthoquinone-Substituted Poly(allylamine) as Electrode-active Material for Polymer-Air Secondary Batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Oka; S. Murao; K. Kobayashi; H. Nishide; K. Oyaizu
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 3 号: 12 ページ: 12019-12024
  • DOI: 10.1021/acsaem.0c02178
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Lithium-ion Conducting Polymers Designed by Machine Learning-based Prediction and Screening (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato, T. Tezuka, Y. Nishikitani, H. Nishide, K. Oyaizu
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 48 号: 2 ページ: 130-132
  • DOI: 10.1246/cl.180847
  • NAID: 130007590554
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrophilic Organic Redox-active Polymer Nanoparticles for Higher Energy Density Flow Batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato, T. Nagano, S. Noguchi, Y. Sugai, J. Du, H. Nishide, K. Oyaizu
  • 雑誌名: ACS Applied Polym. Mater. 巻: 1 号: 2 ページ: 188-196
  • DOI: 10.1021/acsapm.8b00074
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultra-thin and Stretchable Rechargeable Devices with Organic Polymer Nanosheets Conformable to Skin Surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato, K., Wakamatsu, H., Yamagishi, K., Fujie, T., Takeoka, S., Oyaizu, K., Hiroyuki, N.
  • 雑誌名: Small 巻: 15 号: 13 ページ: 1805209-1805209
  • DOI: 10.1002/smll.201805296
  • 査読あり
• [雑誌論文] Toward Improved Performance of All-organic Nitroxide Radical Batteries with Ionic Liquids: A Theoretical Perspective (2019)
  • 著者名/発表者名: L. Wylie, R. Kempt, T. Heine, K. Oyaizu, A. Karton, M. Yoshizawa-Fujita, E. I. Izgorodina
  • 雑誌名: ACS Sustainable Chem. Eng. 巻: 7 号: 5 ページ: 5367-5375
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b06393
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Full Organic Aqueous Battery Based on TEMPO Small Molecule with Millimeter-thick Electrodes (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Perticarari, E. Grange, T. Doizy, E. Quarez, K. Oyaizu, D. Guyomard, P. Poizot, F. Odobel, J. Gaubicher
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 31(6) 号: 6 ページ: 1869-1880
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03282
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] n-Type Redox-active Benzoylpyridinium-substituted Supramolecular Gel for an Organogel-based Rechargeable Device (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Hatakeyama-Sato, R. Ichinoi, Y. Sasada, Y. Sasaki, K. Oyaizu, H. Nishide
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 48 号: 6 ページ: 555-557
  • DOI: 10.1246/cl.190085
  • NAID: 130007659793
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible Hydrogen Releasing and Fixing with Poly(Vinylfluorenol) through a Mild Ir‐Catalyzed Dehydrogenation and Electrochemical Hydrogenation (2019)
  • 著者名/発表者名: Kato Ryo、Oka Kouki、Yoshimasa Keisuke、Nakajima Masataka、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: Macromolecular Rapid Communications 巻: 40 号: 16 ページ: 1900139-1900139
  • DOI: 10.1002/marc.201900139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of PEDOT-Quinone conducting redox polymers in water-in-salt electrolytes for safe and high-energy Li-ion batteries (2019)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Strietzel Christian、Emanuelsson Rikard、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi、Str?mme Maria、Sj?din Martin
  • 雑誌名: Electrochemistry Communications 巻: 105 ページ: 106489-106489
  • DOI: 10.1016/j.elecom.2019.106489
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonconjugated Redox-Active Polymer Mediators for Rapid Electrocatalytic Charging of Lithium Metal Oxides (2019)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato Kan、Masui Tomomi、Serikawa Takuma、Sasaki Yusuke、Choi Wonsung、Doo Seok-Gwang、Nishide Hiroyuki、Oyaizu Kenichi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 2 号: 9 ページ: 6375-6382
  • DOI: 10.1021/acsaem.9b01007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Poly(vinyldibenzothiophenesulfone): Its Redox Capability at Very Negative Potential Toward an All‐Organic Rechargeable Device with High‐Energy Density (2018)
  • 著者名/発表者名: Oka Kouki、Kato Ryo、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 28 号: 50 ページ: 1805858-1805858
  • DOI: 10.1002/adfm.201805858
  • 査読あり
• [雑誌論文] Arylamine polymers prepared via facile paraldehyde addition condensation: an effective hole-transporting material for perovskite solar cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Suwa Koki、Tanaka Suguru、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Polymer International 巻: 67 号: 6 ページ: 670-674
  • DOI: 10.1002/pi.5545
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Ultrahigh Output Rechargeable Electrode of a Hydrophilic Radical Polymer/Nanocarbon Hybrid with an Exceptionally Large Current Density beyond 1 A cm?2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama-Sato Kan、Wakamatsu Hisato、Katagiri Ryu、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 30 号: 26 ページ: 1800900-1800900
  • DOI: 10.1002/adma.201800900
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polymer-Based White-Light-Emitting Electrochemical Cells with Very High Color-Rendering Index Based on Blue-Green Fluorescent Polyfluorenes and Red-Phosphorescent Iridium Complexes (2018)
  • 著者名/発表者名: Nishikitani Yoshinori、Cho Tetsuyuki、Uchida Soichi、Nishimura Suzushi、Oyaizu Kenichi、Nishide Hiroyuki
  • 雑誌名: ChemPlusChem 巻: 83 号: 5 ページ: 463-469
  • DOI: 10.1002/cplu.201800198
  • 査読あり
• [学会発表] 蓄エネ機能高分子の設計: 有機電池と水素キャリア高分子 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 2020年度水素・燃料電池材料研究会講座
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習による全固体リチウムイオン電池用電解質の設計 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 第10回CSJ化学フェスタ
  • 招待講演
• [学会発表] 水素を貯める高分子 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 第69回高分子討論会 (特定テーマ依頼発表)
• [学会発表] 有機系蓄電池の電荷貯蔵機構と将来性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会
  • 招待講演
• [学会発表] 蓄エネ機能高分子の設計: 有機電池・水素キャリヤの最新動向 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: プリンテッドデバイス技術研究会第25回技術交流会
  • 招待講演
• [学会発表] 有機電極活物質を用いた二次電池・レドックスフロー電池 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 電気化学会第396回電池技術委員会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 機能高分子設計のための機械学習とその実践 (イオン伝導性などを例として) (2019)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: NEC生産財Value Chainセミナー, 「研究開発領域のデジタル化とMIの取組について」
  • 招待講演
• [学会発表] イオン伝導性高分子設計のための機械学習とその実践 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 第9回CSJ化学フェスタ, 「量研特別企画: データ科学・インフォマティクスは高分子機能性材料研究に利用できるか?」
  • 招待講演
• [学会発表] 蓄エネ機能高分子の設計と有機電池の新展開 (特定テーマ依頼発表) (2019)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一, 畠山歓
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] Redox-active Polyelectrolytes for Organic Fast-charging Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Oyaizu
  • 学会等名: 16th International Symposium on Polymer Electrolytes (ISPE-16)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Polymers for Efficient Charge and Hydrogen Storage (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Oyaizu
  • 学会等名: Organic Battery Days
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子構造の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 高分子学会関東支部『高分子のための機器分析セミナー』
  • 招待講演
• [学会発表] Polymers for Organic Rechargeable Batteries (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Oyaizu
  • 学会等名: 1st G’L’owing Polymer Symposium in KANTO
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レドックス活性高分子を用いた有機二次電池 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 日本学術振興会情報科学用有機材料第142委員会『インテリジェント有機材料部会第140回研究会, 有機2次電池開発のいま』
  • 招待講演
• [学会発表] 蓄電機能高分子の分子設計と電極活物質への応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 学会等名: 高分子学会関東支部第94回千葉地域活動高分子研究交流講演会
  • 招待講演
• [図書] “ラジカル電池”, 『基礎高分子科学』第2版, 高分子学会編 (分担執筆) (2020)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 総ページ数: 1
  • 出版者: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807909629
• [図書] “エネルギー変換材料” , 錯体化学会フロンティア選書『フロンティア機能高分子金属錯体』, 山元公寿, 西原寛編 (分担執筆) (2020)
  • 著者名/発表者名: 小柳津研一
  • 総ページ数: 20
  • 出版者: 三共出版
  • ISBN: 9784782707913
• [図書] “Redox-active Polymers as an Organic Energy Storage Material”, in Handbook of Conducting Polymers (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Oyaizu, H. Nishide
  • 総ページ数: 13
  • 出版者: CRC Press/Taylor & Francis