| 研究課題/領域番号 |
23K21118
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| 補助金の研究課題番号 |
21H01945 (2021-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2021-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分34010:無機・錯体化学関連
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
栗原 正人 山形大学, 理学部, 教授 (50292826)
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| 研究分担者 |
石崎 学 山形大学, 理学部, 准教授 (60610334)
安東 秀峰 山形大学, 理学部, 准教授 (00754946)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2021年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
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| キーワード | プルシアンブルー / 配位高分子 / ナノ粒子 / カーボンナノチューブ / 二次電池 / 薄膜 / イオン拡散 / ナノ結晶 / エレクトロニクス / エレクトロイオニクス / イオニクス / 半導体 / ナノ薄膜 / 電子伝導 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
カーボンナノチューブ(CNT)を用い、プルシアンブルー(PB)とその類似体(PBA)ナノ結晶からなる薄膜・積層構造・独立分散構造体などを自在に設計・構築する。CNTの光透過・物質透過性・高導電性を活かし、ナノ結晶の電子・イオン伝導挙動を系統的に解析し、配位高分子ナノ結晶のエレクトロ・イオニクスを展開する。最終年度の概要は、ナノ結晶が独立してSWNTと絡まった独立分散構造体を用いることで、結晶同士の接合界面の影響を排除し、その酸化還元に伴うアルカリ金属イオンの拡散挙動を追跡する。これを正極に用いてPB、PBAナノ結晶に留まらない亜鉛二次電池の超高速充放電とイオン拡散の機構を明らかにする。
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| 研究成果の概要 |
プルシアンブルー及びその類似体（PBA）ナノ粒子の酸化還元／電子伝導／ホール伝導とアルカリ金属イオンの拡散が連動するエレクトロ・イオニクス研究を推進した。代表的な成果として、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を導電材とし、ナノ粒子が「凝集することなく独立して動作する」正極構造を開発した。Na+を脱挿入するその正極と金属亜鉛（負極）からなる二次電池で1000 C（3.6秒）の超高速で充放電が可能となった。この結果は、ナノ粒子が個々に電解質に接触でき（Na+の拡散長が短く）、且つ、SWCNTからの電子／ホール伝導がスムースに起こっていることを示した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
金属亜鉛を負極とする二次電池はリチウムイオン二次電池のような発火・爆発の危険性がなく、電極材料して地政学的資源リスクの小さい金属元素を用いることができる利点がある。特に、金属資源に恵まれない我が国では、自然災害に強い金属亜鉛による電気エネルギー蓄積・循環システムの構築が期待されている。本研究では、その亜鉛イオン二次電池として超高速充放電を可能とする動作原理として「活物質としてナノ粒子を独立させること」を着想し、その新しい正極構造の開発に成功した。本成果は、太陽光や風力など自然エネルギーによる発電量変動の平準化にも重要な役割を果たす高速二次電池の今後の開発に繋がる。
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