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2017 年度 実績報告書

炭素質材料への金属のインターカレーション機構の解明と次世代二次電池負極材料の開発

研究課題

研究課題/領域番号 15H03852
研究機関大阪電気通信大学

研究代表者

川口 雅之  大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (10268295)

研究分担者 榎本 博行  大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (10213563)
松尾 吉晃  兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (20275308)
村松 康司  兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (50343918)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
キーワード二次電池 / 炭素質材料 / インターカレーション / 機構解明 / 負極材料
研究実績の概要

本研究は、ホストである炭素質材料に対するゲスト金属の挿入(インターカレーション)機構を解明し、次世代エネルギー貯蔵用二次電池負極材料を開発することを目的としている。ここで炭素質材料とは、グラファイト類似の層状構造でホウ素/炭素/窒素から成るB/C/N材料、ホウ素/炭素から成るB/C材料、および低結晶性カーボンを示している。
平成29年度は、代表者の川口と大学院生はB/C材料の作製に注力した。いくつかの組成のB/C材料にリチウム(Li)、あるいはナトリウム(Na)を電気化学的にインターカレートさせ、二次電池負極としての評価を行った。中でもC/B組成比が19の材料はLiイオン二次電池負極として最大540 mAh/gの可逆容量を示し、これはグラファイトの理論容量372 mAh/gより大きな値であり、この材料は急速充放電に関係するレート特性にも優れていた。
一方、研究分担者の松尾は、酸化黒鉛の熱還元で得た炭素質材料に対して種々の分光測定を行い、炭素面内に酸素が導入された構造モデルを提案した。
また、研究分担者の村松、川口と大学院生は、兵庫県立大学のニュースバルにおいて、軟X線吸収分光法を用いて炭素質材料の電子状態について測定・解析した。その結果、B/C材料やB/C/N材料の伝導帯の底にはグラファイトには見られないピークが観察され、このピークがホウ素の影響で生まれ、ゲスト金属のインターカレーションを容易にさせている可能性を見出した。
さらに、研究協力者のHerold(フランスCNRS,Nancy)らのグループとの液体合金法によるインターカレーションと核マイクロプローブ分析を用いる組成分析について共同研究を続けている。
以上の成果について、川口は2017年10月にフランスのリヨンで開催されたFrench-Japanese Seminarに招待され講演した。

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

本研究の目的である炭素質材料に対するゲスト金属のインターカレーション反応機構の解明と次世代エネルギー貯蔵用二次電池の負極材料の開発に対し、以下の3つの良好な結果を得ているためである:
1.炭素質材料の中で、ホウ素/炭素(B/C)材料がリチウム(Li)イオン二次電池負極として最大540 mAh/gの可逆容量を示し、現在使用されているグラファイトの理論容量(372 mAh/g)より大きいことを確認した。
2.急速充放電に関係するレート特性についても、B/C材料がグラファイトより優れていることを見出した。
3.軟X線吸収分光法を用いた電子状態の測定・解析によって、B/C材料やB/C/N材料の伝導帯の底にはグラファイトには見られないピークが観察され、このピークがホウ素の影響で生まれ、ゲスト金属のインターカレーションを容易にさせている可能性を見出した。
上の1と2は、当該研究の目的である『次世代エネルギー貯蔵用二次電池負極材料の開発』につながり、3については『ホスト材料に対するゲスト金属のインターカレーション機構の解明』につながっている。

今後の研究の推進方策

平成30年度は当該研究の最終年度になるので、当初の目的が達成できるよう以下の項目について研究を進め、総括する予定である:
1.炭素質材料の作製:研究代表者の川口と継続研究員の石川は、大阪電通大にて、引き続きCVD装置を用いてBCxNy材料やBCx材料を作製する。研究分担者の松尾は、兵庫県立大学にてグラフェンライクグラファイトの作製を行う。
2.層間化合物の作製:川口、石川、大阪電通大院生の高下、および松尾はホスト材料である炭素質材料に対して、気相法および電気化学法でLi、Na、Mg、Caなどの1族あるいは2族金属のインターカレーションを行い、層間化合物を作製する。また、川口は研究協力者のHerold(仏、Nancy)を訪問し炭素質材料に対して液体合金法でMgやCaのインターカレーションおよび核マイクロプローブ分析による組成分析を行う。
3.電子状態・電気特性の評価:研究分担者の村松、川口と石川は兵庫県立大ニュースバル放射光施設およびカリフォルニアALSにてXAS測定を行い、ホスト材料や層間化合物の電子構造を調べ、インターカレーション機構について考察する。川口、石川、および研究分担者の榎本は、炭素質材料および層間化合物の室温電気伝導度および電気伝導度の温度依存を調べ、両者の違いからホスト‐ゲスト間の相互作用について考察する。
4.成果発表:炭素材料学会や日本化学会などの国内の学会、Carbon2018(炭素に関する国際会議)で発表し、議論を深める。また、国際学術雑誌に投稿・発表する。
5.研究のまとめ:川口が以上の成果について整理し、4年間の研究の総括を行う。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 9件、 招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] CNRS/Institut Jean Lamour/Nancy(France)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS/Institut Jean Lamour/Nancy
    • 他の機関数
      1
  • [雑誌論文] Graphene-Like-Graphite as Fast-Chargeable and High-Capacity Anode Materials for Lithium Ion Batteries2017

    • 著者名/発表者名
      Qian Cheng, Yasuharu Okamoto, Noriyuki Tamura, Masayoshi Tsuji, Shunya Maruyama, Yoshiaki Matsuo
    • 雑誌名

      Sci. Rep.

      巻: 7 ページ: 14782

    • DOI

      10.1038/s41598-017-14504-8

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] CVD法によるB/C/N系ナノシートの作製2018

    • 著者名/発表者名
      粟井誠敏、川口雅之
    • 学会等名
      日本化学会 第98回春季年会
  • [学会発表] Intercalation of Calcium into Boron/carbon Materials Based on the Graphite Network2017

    • 著者名/発表者名
      M. Kawaguchi, H. Higuchi and H. Ishikawa
    • 学会等名
      19th International Symposium on Intercalation Compounds
    • 国際学会
  • [学会発表] Intercalation of Calcium into Boron/carbon/nitrogen Materials Based on the Graphite Network by Liquid Alloy Method2017

    • 著者名/発表者名
      H. Ishikawa、M. Kawaguchi, M. Fauchard, S. Cahen, C. Herold and P. Berger
    • 学会等名
      19th International Symposium on Intercalation Compounds
    • 国際学会
  • [学会発表] Preparation of B/C and B/C/N Nanosheets Using CVD Method2017

    • 著者名/発表者名
      M. Awai and M. Kawaguchi
    • 学会等名
      Carbon 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrochemical Properties of HF-treated Boron/carbon/nitrogen Materials as Anodes of LIBS2017

    • 著者名/発表者名
      T. Kitai and M. Kawaguchi
    • 学会等名
      Carbon 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrochemical Properties of Boron/carbon Materials as Anodes of LIBS2017

    • 著者名/発表者名
      S. Sugisaki and M. Kawaguchi
    • 学会等名
      Carbon2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication and Characterization of PEI/TaS2 LbL Multilayer Films2017

    • 著者名/発表者名
      M. Irie, N.Yoshida, and H. Enomoto
    • 学会等名
      The 7th Annual World Congress of Nano Science and Technology-2017 (Nano S&T-2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] 軟X線吸収分光法と第一原理計算によるB/C/N材料の電子状態評価2017

    • 著者名/発表者名
      石川弘通、川口雅之、村松康司
    • 学会等名
      第30回DV-Xα研究会
  • [学会発表] Electrochemical Intercalation of Sodium into B/C/N and B/C Materials as Anodes of Sodium Ion Batteries2017

    • 著者名/発表者名
      M. Kawaguchi, K. Yamada and K. Gotoh
    • 学会等名
      7th International Conference on Carbon for Energy Storage and Environment Protection
    • 国際学会
  • [学会発表] Heteroatom-substituted Carbon Alloys for Use in Energy Storage and Conversion Systems2017

    • 著者名/発表者名
      M. Kawaguchi
    • 学会等名
      2017 French-Japanese Seminar on Carbon Materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ナトリウムイオン二次電池負極材料としてのB/CおよびB/C/N材料へのナトリウムの電気化学的インターカレーション2017

    • 著者名/発表者名
      川口雅之、山田薫、後藤和馬
    • 学会等名
      学振・第117委員会 第323回委員会
  • [学会発表] Electronic State of B/C/N Materials Analyzed by Soft X-ray Spectroscopy and First-principles Calculation2017

    • 著者名/発表者名
      H. Ishikawa, M. Kawaguchi and Y. Muramatsu
    • 学会等名
      The 6th German-Japanese Joint Symposium on Carbon Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] カルシウムとリチウムをインターカレートしたB/C/N系層間化合物の構造解析2017

    • 著者名/発表者名
      石川弘通, 川口雅之, M. Fauchard , S. Cahen , C. Herold , P. Berger and N. Emery
    • 学会等名
      第44回炭素材料学会年会
  • [学会発表] HF処理によるB/C/N系材料の構造変化とリチウムイオン二次電池負極特性2017

    • 著者名/発表者名
      北井綱一、川口雅之
    • 学会等名
      第44回炭素材料学会年会
  • [図書] 次世代電池用電極材料の高エネルギー密度、高出力化2017

    • 著者名/発表者名
      川口雅之(分担執筆:第6章第5節pp.234-241)
    • 総ページ数
      602
    • 出版者
      情報技術協会
    • ISBN
      978-4-86104-685-8
  • [備考] 大阪電気通信大学 川口研究室

    • URL

      http://oweb1.osakac.ac.jp/labs/kawaguti/

  • [備考] 大阪電気通信大学 教員情報データベース

    • URL

      https://research.osakac.ac.jp/index.php?%E5%B7%9D%E5%8F%A3%E3%80%80%E9%9B%85%E4%B9%8B

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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