| 研究課題/領域番号 |
20H00400
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分36:無機材料化学、エネルギー関連化学およびその関連分野
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
岡田 重人 九州大学, グリーンテクノロジー研究教育センター, 特任教授 (10304841)
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| 研究分担者 |
櫻井 英博 大阪大学, 工学研究科, 教授 (00262147)
猪石 篤 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (10713448)
喜多條 鮎子 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (50446861)
山下 建 (アルブレヒト建) 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (50599561)
燒山 佑美 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60636819)
ステイコフ アレキサンダー 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 准教授 (80613231)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円)
2022年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
2021年度: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)
2020年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)
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| キーワード | 蓄電池 / 湾曲ナノカーボン / スマネントリオン / 湾曲型多環芳香族炭化水素類 / ポストリチウムオン電池 / 水系ナトリウムイオン電池 / 全固体電池 / 湾曲型ナノカーボン / ポストLiイオン電池 / 湾曲ナノカーボ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
既存Liイオン電池では負極として、黒鉛等炭素系材料が広く使われてきたが、水系電解液で使用出来ずエッジサイトや欠陥を含む構造-機能相関を明確にすることが難しいなどの課題があった。申請者は、黒鉛系負極に変えて、近年合成が進展しているスマネンを始めとした湾曲芳香族炭化水素群に着目した。湾曲したπ電子系芳香族炭化水素類(PAH)の電極特性は未知であるが構造が明確で湾曲構造特有のイオン貯蔵様式の発現や弱いπ-π相互作用に基づく小さな過電圧を持つことなどが期待できる。本研究課題では有新規材料である湾曲型PAHの基礎物性を明らかにすると共に次世代電池用電極特性チューニング技術に関する新たな学理構築をめざす。
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| 研究実績の概要 |
エネルギー問題の解決は世界的に重要な課題であり、高効率で安価な蓄電デバイスの開発は問題解決には不可欠なキーテクノロジーである。わが国で市販化されたリチウムイオン電池は小型のモバイル用途から大型の車載用に向け普及し始めているが、CoやNi等のレアメタルを多用し、その４価高級酸化物の異常原子価状態によって高電圧を発現しているため、経済性と安全性に本質的課題を抱えているため、次世代電池として経済性に優れる水系ナトリウムイオン電池や安全性に優れる全固体電池などが注目されているところである。グラファイトを始めとするカーボン材料は現行リチウムイオン電池の負極として幅広く使われてきたが、インターカレーション反応に伴う過電圧や体積変化に加えて、水系電解液で使用出来ずエッジサイトや欠陥を含む構造－機能相関を明確にすることが難しいなどの課題があった。これに対し、スマネンを始めとしたπ系を持つ湾曲型多環芳香族炭化水素類（PAH）は近年合成が進展している新しい材料群で、本研究はこれをポストリチウムオン電池用活物質に応用展開を図るものである。湾曲PAHは未だに電池材料へと適用されたことがなくその特性は未知であるが構造が明確で湾曲構造特有のイオン貯蔵様式の発現や弱いπ-π相互作用に基づく小さな過電圧が期待されるなどこれまでの有機系電極活物質に新たな分子設計の自由度を加えることが期待できる。本研究課題では有機合成・電池測定・固体電解質の実験科学者と理論科学者が集まることで新規な材料である湾曲PAHの電気化学的な基礎物性とともに次世代電池を中心とした電極特性に関する学理構築を目指し、物性制御の自由度が高い有機系にて既存のリチウムイオン電池のレアメタルフリー化、さらにはメタルフリー化を図るものである。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
スマネントリオンが内包するC=Oの二重結合への可逆的Na付加反応にて、遷移金属に頼ることなく、水系ナトリウムイオン電池を構築できることを見出したことを他の二重結合に発展させるべく、N=N結合を六員環に含むs-テトラジン類に着目し、 3,6-ジフェニルテトラジンがリチウムのみならず、ナトリウムに対しても二相平衡反応を示唆する平坦で過電圧の小さな充放電プラトーを示し、ホストとして機能しうることを M NaPF6 EC/DMC（1/1 = v/v）電解液を用いたコイン電池にて検証した。充放電に伴うFT-IRの追跡結果から，置換基であるフェニル基も酸化還元反応にわずかに寄与するものの，電荷の大部分はテトラジン環に局在していることがわかりこの結果は， 3,6-ジフェニルテトラジンがNaイオン電池の可逆的な活物質として機能することを確認した。
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| 今後の研究の推進方策 |
サイクル特性を向上させるもう一つのアプローチとして固体電解質の利用を検討する。特にフッ化物イオン伝導体に着目し、フッ素イオンなどアニオン貯蔵が湾曲PAHに可能であるか確認する。固体電解質を使用するメリットとして、有機活物質の溶解や、副反応を抑えられ、活物質そのものの電池特性をより明確に評価できることが挙げられる。フッ化物は最も小さな1価のアニオンで固相内イオン拡散に優れているが、コストパフォーマンスでは、塩素や臭素アニオン系がより魅力的である。事前検討として、塩素系固体電解質としては、準安定相SrCl2を最適化したSr0.99K0.01Cl1.99にて4 Vの広い電位窓を有することを確認している。また臭化物系固体電解質では、Pb0.99K0.01Br1.99が160℃にてS/cmの高い臭素イオン伝導度を示すことを見出した。これらの成果を踏まえ、従来は困難であった有機系活物質と固体電解質を組み合わせた全固体電池にて有機系活物質の電解液への溶出問題の本質的解決を図る。
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