無水フッ化水素溶液系を用いたグラファイトインターカレーション反応の設計と制御

1992 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 04205058
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 東原 秀和 信州大学, 繊維学部, 教授 (40026141)
• 研究分担者: 沖野 不二雄 信州大学, 繊維学部, 講師 (60214037)
• キーワード: グラファイト層間化合物 / フッ化水素 / インターカレーション / リチウム電池 / リチウム二次電池

研究概要

1.インターカレーション反応のメカニズム PbF_4やK_2NaPdF_6のHF溶液にグラファイトの結晶を浸漬するだけで、CxPbF_6、CxPdF_4が生成することを見い出した。この結果は、PbF_4のような高次フッ化物はHF溶液中でグラファイトを酸化する能力があることを示している。すなわち、HF溶液反応系にフッ素ガスのフローを必要としない、新しいインターカレーション反応でCxMFyが生成することが分かった。
2.Li/CxF、Li/CxMFy電池のEMF(起電力) HF溶液中で生成したCxF、CxMFyを正極とするリチウム電池Li/1M LiC10_4-PC/CxF,CxMFy(PC:Propylene Carbonate)のEMFは、インターカレーション温度に強く依存する。室温以下の低温で生成するCxF、CxMFyでは、グラファイト層からインターカレート種(層間化学種)への電荷移動量が大きく、4〜5.2Vの非常に高いEMFを示す。
3.CxMFyを正極とする二次電池 Li/1M LiC10_4-PC/CxPbF_6、CxLiBF_4セルのサイクリックボルタンメトリーによって、CxPbF_6、CxBF_4電極の酸化還元反応は可逆であることが明らかにされた。C_<10>PbF_6電極の場合、対称的なボルタモグラムは10サイクル以上不変であり、0.1mA/cm^2の電流密度においても安定で平坦な放電電位を示した。放電生成物のXPS、XRDの解析から、放電反応は次の式で表せることが明らかにされた。
C_<10>PbF_6 + xLi^+ + xe^- discharge→←charge C_<10> LiPbF_6
C_xPbF_6、C_xBF_4電極を用いることによって、フッ素系グラファイト層間化合物としては、初めての二次電池が実現した。75%のクーロン効率を向上させることが今後の課題である。

研究成果

• [文献書誌] H.Touhara,F.Okino,A.Nishiyama: "Novel Graphite Intercalation Compounds with Fluorine and Fluorides:Synthetic Pathways,Properties and Manifestation Mechanism of functionality" Transaction of Material Society,Japan. 2. 108-116 (1992)
• [文献書誌] F.Okino,H.Tanaka,P.Lagassie,S.Suganuma,H.Touhara: "Ab initio Mo Calculations and Experimental Observations on the Reactivities of Elemental Fruorine and Chlorine with Graphite in the Presence of HF" Journal of Fluorine Chemistry. 57. 45-52 (1992)
• [文献書誌] H.Touhara,S.Suganuma,M.Ishihara,F.Okino: "Novel Graphite Intercalation Compounds with Fluorides Prepared in Anhydrous Hydrogen Fluorides Solutions,their Properties and Manifestation of Functionality" Elsevier Sci.Publ.B.V.,