湾曲ナノカーボンの二次電池活物質への展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00400
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 岡田 重人 九州大学, グリーンテクノロジー研究教育センター, 特任教授 (10304841)
• 研究分担者: 櫻井 英博 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (00262147) ; 猪石 篤 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (10713448) ; 喜多條 鮎子 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (50446861) ; 山下 建 (アルブレヒト建) 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (50599561) ; 燒山 佑美 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (60636819) ; ステイコフ アレキサンダー 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 准教授 (80613231)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: スマネントリオン / 湾曲型多環芳香族炭化水素類 / ポストリチウムオン電池 / 水系ナトリウムイオン電池 / 全固体フッ化物イオン電池 / コロネン

研究実績の概要

炭酸ガス削減の切り札として電気自動車には多くの期待が寄せられているが、現在その電源として使われているLiイオン電池はLiやCoなどのレアメタルが多用されているため、カーボンフットプリントに関しては有利でも、ガソリン車よりかえって環境負荷が大きくイニシャルコストも高いというジレンマを抱えている。現行Liイオン電池が抱えるこれらの環境負荷、経済性や安全性の課題を解決するポストLiイオン電池として、レアメタルフリーのNaイオン電池が注目されている。しかし、イオン体積がLiに比べ２倍大きなNaのホストとして機能する電極活物質としては、従来の無機系よりも比重が小さな有機系、中でも特に層間距離の大きな湾曲型多環芳香族炭化水素としてスマネントリオンに注目し、初年度は安価な水系Naイオン電池用正極として機能することを見出し、さらに２年目はその活性中心であるC=O二重結合を拡張すべく、N=N結合を六員環に含むs-テトラジンがNaイオン電池の正極として機能することを確認し、最終年度にこれを論文化した。また、今期は有機系正極の欠点であった低起電力と電解液への溶出問題の本質的解決を図るべく、多環芳香族炭化水素であるコロネンのπ共役結合性に着目し、コロネン正極／Ba0.6La0.4F2.4フッ化物固体電解質／Pb負極の全固体フッ化物イオン電池を組むことで１価フッ素アニオン挿入のp型ホストとしてコロネンが機能する可能性をXAFSにて検証した。
また、初年度に検討した湾曲型ナノカーボンであるスマネントリオンでは３つのカルボニル基を有するにも関わらず結局2電子までしか還元できなかったため、カルボニル基を2つに削減した新たな湾曲型ナノカーボンとしてジオキソスマネンジカルボン酸（エチル／アリル）エステルを合成し、Li及びNaイオン電池の有機電解液系正極活物質として動作可能であることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 3,6-Diphenyltetrazine as Cathode Active Material for Sodium Ion Batteries (2022)
  • 著者名/発表者名: WATANABE Jun、FURUSAWA Masaki、NAKAMOTO Kosuke、SUN Yuchao、TASHIMA Masatoshi、YAMAOKA Keiko、FUJIWARA Seiko、KIM Han Seul、OKADA Shigeto、ALBRECHT Ken
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 90 ページ: 117005～117005
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.22-00100
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 濃厚水系アルカリ金属イオン電池 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡田重人, 中本康介, 坂本遼
  • 雑誌名: 機能材料 巻: 7 ページ: 45-52
• [学会発表] 多環芳香族炭化水素材料へのフッ化物イオン挿入脱離の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 橋本啓佑, 猪石篤, 岡田重人, 栄部比夏里, アルブレヒト建
  • 学会等名: 電気化学会第90回大会
• [学会発表] Grand Design of Post Li-ion Batteries (2023)
  • 著者名/発表者名: Shigeto Okada
  • 学会等名: 5th Norway-Japan Academic Network Seminar
  • 国際学会 / 招待講演