| 研究課題/領域番号 |
22H00340
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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 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
獨古 薫 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70438117)
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| 研究分担者 |
藤井 健太 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (20432883)
上野 和英 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30637377)
小久保 尚 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 講師 (80397091)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)
2024年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円)
2023年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円)
2022年度: 12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円)
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| キーワード | 電解質 / イオン伝導 / 電気化学 / 電池 / ゲル |
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| 研究開始時の研究の概要 |
溶融リチウム塩溶媒和物のリチウムイオンホッピング伝導現象を利用し，リチウム塩溶媒和物と高分子を複合化して高リチウムイオン輸率を発現する電解質膜を創製する。高分子マトリックスの設計・合成を行い， 多様なリチウム塩溶媒和物と複合化して高分子ゲル電解質膜を作製し，イオン輸送特性，熱物性，力学特性，電気化学特性，膜内でのリチウムイオンとアニオン・溶媒分子・高分子鎖との相互作用およびそのダイナミクスを先端計測手法および計算化学を駆使して解析する。以上により，高速なリチウムイオン輸送が可能な高分子電解質膜の設計指針を得る。
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| 研究実績の概要 |
リチウムイオンホッピング伝導を発現することが明らかになっているスルホランに超高濃度にリチウム塩を溶解させた電解液を高分子でゲル化した電解質の作製を行った。超濃厚電解液の特長を維持したままゲル化するために、リチウムイオンと相互作用が弱い官能基を有する高分子を合成し、ゲル電解質を調製することに成功した。ゲル電解質中におけるリチウムイオンの溶媒和構造をラマン分光法やNMRを駆使して解析した結果、高分子の官能基の電子供与性が低い場合には高分子と複合化前の電解液中の溶媒和構造が維持されることを確認した。一方、高分子の官能基の電子供与性が強い場合には、官能基がリチウムイオンと強く相互作用し、溶媒和構造が変化した。官能基の電子供与性が弱い高分子をマトリックスに用いることで、高いリチウムイオン輸率を有するゲル電解質の開発に成功したが、イオン伝導率は高分子の複合化により低下してしまった。この課題を解決するため、高分子含有量を極力低下させ、高いイオン伝導率を有するゲル電解質を開発する検討を行った。高分子含有量を低下させるとゲルの機械強度が低下してしまうが、イオン伝導率と機械強度のトレードオフを打破するために、均一網目構造を有する高分子マトリックスを設計し、高分子の合成手法の検討を行い、合成法確立に目途がついた。また、ゲル電解質中のイオン伝導メカニズムや電極／ゲル電解質界面における電気化学反応の解析も進め、ゲル電解質中のリチウム塩濃度やアニオン種がイオン伝導機構及び電気化学反応速度に大きな影響を及ぼすことが明らかになりつつある。
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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
当初の計画に従い，リチウムイオン輸率の高いゲル電解質の設計・開発を進めており、今後の検討すべき課題も明確になってきている。2022年度の検討で明らかになった課題の解決を含めて、研究分担者と共同研究を進める研究計画を立てることができているため、研究はおおむね順調に進捗していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
2022年度はスルホランを溶媒に超高濃度にリチウム塩を溶解させた電解液をゲル化させ、高分子マトリックスと電解液の相互作用に関して系統的なデータを蓄積したが、2023年度は、スルホラン系濃厚電解液を含有するゲルの開発を引き続き継続するとともに、スクシノニトリルなどのジニトリル系溶媒に超高濃度にリチウム塩を溶解させた電解液を高分子でゲル化した電解質の開発を進める。また、2022年度に開発したゲル電解質の高分子マトリックスに加え、様々な官能基を有する高分子を設計・合成し、高分子とイオンの相互作用がイオン伝導メカニズムに及ぼす影響を系統的に明らかにする。さらに、これらのゲル電解質の力学物性、イオン輸送特性および電気化学特性に関する研究も進め、ゲル電解質中のリチウムイオン、対アニオン、溶媒、高分子の相互作用がゲル電解質の特性に及ぼす影響を系統的に明らかにする。これにより、高イオン伝導率、高リチウムイオン輸率、良好な機械強度を兼ね備えるゲル電解質の設計指針の確立と実現に向けた検討を進める計画である。
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