| 研究課題/領域番号 |
19H02818
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| 研究機関 | 九州工業大学 |
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研究代表者 |
馬 廷麗 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (20380545)
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| 研究分担者 |
飯久保 智 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (40414594)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | ナトリウムイオン二次電池 / Na+の吸蔵・放出過程 / ２Ｄ原子層材料 / ナノ空間の制御 / 高性能負極材料の開発 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は優れた導電性、高い耐熱性及び構造の安定性をもつ新規な２Ｄ原子層材料MXeneのナノ空間を制御し、高性能のナトリウムイオン電池を創製することが目的である。本年度は研究計画通りに進行し、以下の研究を実施した。
①新規材料の設計、合成について:一連の新規なMXene（Nb2AlC, Nb2CTx, Nb2C/P, Mo2C/MoS2, Nb2Mo2C3）を低温方法を用いて合成を行った。またLiFなどによる化学エッチングを行い、層状の材料を作製した。更に材料の層間を拡大するために、幾つかの機能性分子TABOHなどを挿入し、また得られた材料の物理及び化学的性質を評価した。
②物性及び構造評価について:材料の物性及び構造的評価については、材料の層状構造、層数、層間距離などをXRD, SEM, TEMなどで解析し、計算も同時に行い、MXene材料の層間及び表面にあるF-, OH-などの基団とナトリウムイオンとの相互作用を解明した。電気化学測定については、酸化還元電位、内部抵抗インピーダンス、充放電測定及び走査型透過電子顕微鏡、電子エネルギー損失分光法XPSなどにより、電極内におけるナトリウムイオンの分布及びイオンの脱離/挿入状態、イオンの拡散を評価し、電池の容量との関係を明らかにした。③比較のため、Ti3C2と黒リン（ＢＰ）材料を合成し、ナトリウムイオン電池を構築し、電池の充放電特性などについて評価した。更に黒リン/Ti3C2ナノコンポジットも合成し、複合体材料で構築したナトリウムイオン電池は高い性能を示した。この結果により、ナノコンポジットはナトリウムイオン電池の性能向上には有効な手法だと分かった。
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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
本研究課題の進捗状況については、予定通り順調に進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、材料の合成を行うことと得られた材料の物性について評価する。
材料の物性及び構造的評価については、材料の層状構造、層数、層間距離などをXRD, SEM,TEMなどで解析し、計算も同時に行い、MXene材料の層間にあるF-, OH-などの基団はNa+との相互作用を解明する。電気化学測定 (CV,EIS,充放電測定など)及び走査型透過電子顕微鏡（TEM）、電子エネルギー損失分光法などにより、電極内におけるナトリウムイオンの分布及びイオンの脱離/挿入状態、イオンの拡散を評価し、電池容量との関係を明らかにする。
また合成した一連のMXeneを負極、Na2Fe2(SO4)3を正極として、SIBsデバイスを構築する。その充放電特性及びサイクリング安定性を評価する。さらに、層間の制御には異なるサイズの分子を挿入し、層間を最適化する。Na+の吸蔵及び拡散については、核磁気共鳴(23Na-NMR)や走査型電子顕微鏡-組成分析（SEM-EDS）などにより解析する。
昨年度の研究で開発したTi3C2及び黒リン/Ti3C2ナノコンポジットと比較し、材料の組成及び複合体の充放電性能に及ぼす影響のメカニズムを解明することにより、高性能の材料開発の指針を得る。
分担者飯久保研により理論計算を行い、MXene層間特性の制御、電子構造及びデバイスの電極活物質の分布などを計算し、Na+拡散及びMXene表面の層間機能性グループF-,OH-などとの相互作用とメカニズムの解明を行う。更に挿入するナトリウムイオンはOH終端とF終端の構造及び電子密度の違いを計算する。表面吸着の過程及び金属イオンの状態についても解析することにより、負極材料の構造とデバイスの性能との関係を明らかにし、高性能ナトリウムイオン電池の開発を支援する。
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| 備考 |
九州工業大学 大学院生命体工学研究科 本研究室のホームページである。
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