| 研究課題/領域番号 |
23K21148
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| 補助金の研究課題番号 |
21H02047 (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36020:エネルギー関連化学
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
松本 一彦 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (30574016)
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| 研究分担者 |
黄 珍光 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教 (20900004)
窪田 啓吾 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40586559)
萩原 理加 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (30237911)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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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 |
12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円)
2024年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
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| キーワード | イオン液体 / 溶融塩 / ナトリウム電池 / 硫黄 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
近年、再生可能エネルギーの導入に伴い、電力貯蔵用エネルギー貯蔵デバイスの開発が進んでいるが、現在の二次電池には改善すべき点が残されている。本研究の目的は「液体ナトリウム負極とベータアルミナ固体電解質及び溶融塩電解質を二重電解質として用いた大容量二次電池の開発とその学術的基盤の確立」である。ここで二層電解質を用いる理由は、電池の安全性を高めるとともに、正極活物質や溶融塩が負極と化学的に反応することを防ぐことである。本研究成果は、廃熱を高効率に用いた高温作動二次電池の開発を大きく前進させるとともに、室温と高温における二次電池の反応速度、反応機構、イオン輸送の違いを学術的に明らかにするものである。
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| 研究実績の概要 |
前年度には液体ナトリウム金属負極と固体電解質界面について、新たに開発した加圧型セルでの評価に基づき、１５０℃で長期的な液体ナトリウム金属の析出溶解サイクルが可能であることを示している。また、電解質としては、硫黄の酸化還元挙動を引き出すためにトリフレートアニオンを含むビス（トリフルオロメチルスルフォニル）アミド無機溶融塩(Na[OTf]-Cs[TFSA])が適切であることを見出した。今年度はさらに適切なナトリウムイオン組成を明らかにするため、Na[OTf]とCs[TFSA]の混合比率の最適化を進めた。密度、粘性率、イオン伝導率を異なる比率で調べたところ、Na[OTf]が増えるにつれて、密度は減少し、粘性率は増加し、イオン伝導率は低下することがわかった。粘性率とイオン伝導率については、より小さなナトリウムイオンが増えることによって、静電相互作用が強くなることが原因であると考えられる。また、充放電挙動を調べたところ、Na[OTf]分率が最も低い20%の場合のみ低電位側で多硫化物イオンの還元が進むことが分かった。これはNa[OTf]分率が高くなると、多硫化物イオンの溶解度が下がるためであると考えられる。実際に目視で溶解度を調べた結果、上記の通り溶解度が変化することが確認された。
正極活物質については硫黄だけでなく、室温付近での性能がよく知られているポリアニオン系材料やフッ化物材料について、基礎的な電気化学挙動が確認されており、次年度以降、探索範囲を広げて、より適切な溶融塩を調べる。
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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
溶融塩の探索については、種類と組成の最適化が順調に進んでいる。正極材料の探索も狭い範囲ではあるが、進んでおり、全体として概ね順調に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度までの研究で、ナトリウム負極の充放電挙動とβ”－アルミナ固体電解質との界面についての知見とナトリウムイオン濃度を変えたイオン液体がNa-S電池にどのような影響を与えるかを明らかにしている。今後は、溶融塩電解質の種類が充放電挙動に与える影響を明らかにするとともに、正極材料の探索を硫黄だけでなく、酸化物、フッ化物、ポリアニオン系材料に広げて検討を進める。充放電特性に与えるファクターを明らかにするとともに、材料毎に充放電メカニズムを解明する。有望な電解質と正極の組み合わせをスクリーニングすることに焦点を絞り、最終的にはフルセル評価へとつなげることを目指す。
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