全固体マグネシウム二次電池を実現する柔らかい固体電解質の創製

研究課題

研究課題/領域番号	22K19072
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	上智大学
研究代表者	藤田正博上智大学, 理工学部, 教授 (50433793)
研究期間 (年度)	2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円) 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円) 2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円) 2022年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
キーワード	柔粘性イオン結晶 / 固体電解質 / マグネシウムイオン伝導体 / 固相間転移 / 柔粘性結晶 / マグネシウム二次電池
研究開始時の研究の概要	本研究では、3つの課題に取り組む。課題1:柔粘性イオン結晶(IPC)とMg塩複合体を作製し、相転移温度、イオン伝導度等の基礎物性評価を行う。課題2:得られたIPCおよびMg塩複合体の粉末X線回折測定により結晶構造解析を行う。イオン伝導性との相関について知見を集積し、構造最適化につなげる。課題3:開発したIPC/Mg塩複合体を用いて、Mgの酸化還元特性の評価を行う。さらに、電極にMg金属を用いてセルを作製し、充放電試験を行う。
研究実績の概要	昨年度、複数種類のピロリジニウム系柔粘性イオン結晶（IPC）を作製し、それらIPCに所定量のMg塩を複合化することで、イオン伝導性におよぼすピロリジニウムカチオンおよびアニオン構造やMg塩の種類および濃度の影響を調査した。今年度は、高イオン伝導性を示したIPCであるジエチルピロリジニウムカチオン（P22）を用いて、さらなる性能向上を目指した。複合化するMg塩の種類を拡充し、ピロリジニウム塩およびMg塩のアニオンとして、ビスフルオロスルホニルアミド（FSA）を用いた。MgとFSAからなるMg塩を用いたIPC複合体に関する報告は皆無であり、初めての知見を得ることができた。P22FSA系IPC複合体は、Mg塩濃度によらず100℃以上の熱安定性を示すこと、Mg塩濃度の増加に伴いアモルファス化することがわかった。P22FSA/Mg(FSA)2複合体のイオン伝導度は、Mg塩濃度の増加に伴い低下し、高Mg塩濃度領域において増加した。ラマン分光測定より、Mgイオンの配位数を算出した。MgイオンへのFSAアニオンの配位数は、LiイオンやNaイオンと比較して大きくなることがわかり、配位数はイオンの価数に比例することが示唆された。また、配位数とイオン伝導性に相間のあることが示唆された。サイクリックボルタンメトリーを行った結果、Mgの酸化還元挙動が観測された。ピロリジニウム塩だけでなく、Mg塩のアニオンとしても、FSAを用いることで複合体の特性が向上することがわかった。
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高Mgイオン伝導性IPC電解質を開発するため、昨年度開発したピロリジニウム塩に複合化するMg塩の種類を拡充した。ピロリジニウム塩に所定量のMg塩を添加して、それら複合体の熱分析、インピーダンス測定、ラマン分光測定、輸率測定など行った。Mg塩濃度の増加に伴い、複合体のイオン伝導度は低下したものの、高Mg塩濃度領域において、イオン伝導度が向上するという特異的な挙動を明らかにした。ラマン分光測定の結果、Mg塩濃度に応じて、Mgイオンに対するアニオンの配位数が変化することがわかった。Mgイオン輸率測定、Mgの酸化還元反応についても知見を得ている。研究計画に沿って、新たな知見を得ることができており、本研究はおおむね順調に進展している。
今後の研究の推進方策	IPC/Mg塩複合体のイオン伝導性におよぼすアニオン種の効果を包括的に調べることができたことから、マテリアルズ・インフォマティクス（MI）を用いて、カチオンおよびアニオンの組み合わせを最適化し、材料開発を加速させる。さらに、高エネルギーX線全散乱測定を行い、各イオンの配位構造等について詳細な知見を得る。これにより、イオン伝導機構について理解を深め、効率的にMgイオン伝導度を向上させる。一方、共同研究を拡充し、実デバイスの作製と評価を推進する。具体的には、可逆かつ高速なMgイオン脱挿入が可能な正極材料を探索し、充放電を行う。電極表面分析も行うことで、被膜成分を明らかにし、高い容量維持率とサイクル安定性を実現する条件を明らかにする。