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2016 年度 実績報告書

結晶構造学的理解が拓く新しい有機電極活物質デザイン

研究課題

研究課題/領域番号 15K14153
研究機関東北大学

研究代表者

本間 格  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90181560)

研究分担者 永村 直佳  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 研究員 (40708799)
笘居 高明  東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (80583351)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワードエネルギー / 結晶工学 / ナノ材料 / 有機結晶 / キャパシタ
研究実績の概要

エネルギー貯蔵デバイス分野において、近年有機材料の電池電極活物質への適用が積極的に検討されている。本研究では、結晶材料構造学に基づいた有機電極活物質電極の設計指針を確立することを目的とする。
本年度においては、まず前年度にin-situ X線回折にて見出された充放電サイクル進行時の結晶成長に起因する未反応有機活物質の比率増加と、実際の充放電反応容量の相関について検討を行った。AQ(アントラキノン)を活性炭に高比率で担持させた電極の充放電反応では、1000サイクル後の充放電容量が理論容量の40%程度維持されているにもかかわらず、XRDの解析結果では、ほぼ全ての活物質が未反応状態で存在している、というずれがあった。そこで熱重量測定を行ったところ、活性炭に担持させた50%程度のAQがナノ細孔中で安定化していることが示唆された。この、活性炭のナノ細孔中に存在し、明確なXRDパターンを示さないナノサイズの有機活物質結晶が長期安定性を呈していると考えられ、結晶成長に起因する未反応有機活物質の比率増加が生じて、有機活物質の長期安定性が失われるとする仮説が支持された。
さらに、このナノ細孔中に格納した有機活物質を、近年開発の進むフローキャパシタに適用した。フローキャパシタは水系電解液中に活性炭を分散して作製したスラリーをフローさせながら充放電を行うエネルギー貯蔵デバイスであり、低コストで作製が可能で、高入出力特性、長寿命性に優れ、安全性が極めて高いことがその特長である一方、スラリーの容量が小さいことが実用化に向けた課題となっていた。本研究では前述のナノ細孔中に格納した有機活物質の適用により、フローキャパシタスラリーのエネルギー密度の倍増に成功した。
以上、本研究を通じ、有機電極活物質構造と相関した設計指針の構築、さらにはその適用が有効な次世代型エネルギー貯蔵デバイスの提案を行うことが出来た。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] High-energy-density electrochemical flow capacitors containing quinone derivatives impregnated in nanoporous carbon beads2017

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Tomai, Hayate Saito, Itaru Honma
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 5 ページ: 2188-2194

    • DOI

      10.1039/C6TA08733G

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] キノン系有機活物質を用いた高エネルギー密度型電気化学フローキャパシタの開発2016

    • 著者名/発表者名
      斎藤颯,笘居高明,本間格
    • 学会等名
      第57回電池討論会
    • 発表場所
      幕張メッセ 国際会議場 (千葉県、千葉市)
    • 年月日
      2016-11-29 – 2016-12-01
  • [学会発表] Capacitance Enhancement based on combination of quinone derivatives with nanoporous carbon for Electrochemical Flow Capacitor2016

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Tomai, Hayate Saito, Itaru Honma
    • 学会等名
      2016 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 発表場所
      Boston, USA
    • 年月日
      2016-11-27 – 2016-12-02
    • 国際学会
  • [学会発表] Capacity Enhancement of Electrochemical Flow Capacitor Using Quinonic Compounds Couple2016

    • 著者名/発表者名
      Hayate Saito, Takaaki Tomai, Itaru Honma
    • 学会等名
      PRiME 2016
    • 発表場所
      Honolulu, USA
    • 年月日
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement in cycling stability of aqueous organic redox capacitor via interface control2016

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Hanzawa, Hayate Saito, Takaaki Tomai, Itaru Honma
    • 学会等名
      PRiME 2016
    • 発表場所
      Honolulu, USA
    • 年月日
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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