研究課題/領域番号 |
24750191
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研究機関 | 独立行政法人産業技術総合研究所 |
研究代表者 |
八尾 勝 独立行政法人産業技術総合研究所, ユビキタスエネルギー研究部門, 主任研究員 (30510060)
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研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2014-03-31
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キーワード | リチウム二次電池 / 有機活物質 / レアメタルフリー |
研究概要 |
リチウム二次電池の電極材料として通常用いられているレアメタル酸化物を,酸化還元活性な低分子性有機物で完全に代替することで,低環境負荷な二次電池を創出できる。本研究代表者は,既にベンゾキノン誘導体が高容量の電極材料として機能することを見出し,報告している。本研究では,有機材料を探索-設計-合成することで,電極材料としての高性能化を目指し,同時に未解明な点も多い充放電メカニズムの解明を目的としている。 初年度は,独自に見出した有機正極材料であるベンゾキノン誘導体を用いた電池のサイクル特性の改善に取り組んだ。周辺置換基として長さの異なるアルキル基を有する電極材料を合成し,それらを用いた電極の寿命と電極材料の電解液への溶解性を調べたところ,それらには相関があり,有機電極材料の電解液への溶解性を下げることが電極の長寿命化に対して有効であることを見出し,学会発表および論文投稿を行った。さらに,ある種の置換基がサイクル特性向上に効果があることが明らかとなり,現在その効果の詳細を検討している。一方,多環構造を有するキノン材料の2量体および3量体を新規に合成-評価したところ,電極活性部位のオリゴマー化がサイクル特性の向上に有効であることを見出した。 一方,充放電メカニズムの解明にも着手した。これまでの有機電極材料においては,充放電過程におけるリチウムイオンの関与は想定されていたものの確証は提案されていなかった。本研究では,核磁気共鳴を用いてリチウム核の観測を行った結果,リチウムイオンが有機電極へ挿入-脱離している証拠を初めて発見することに成功した。
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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
24年度の計画では,「有望な有機活物質に関して,種々の類縁体を検討-合成し,置換基と電極電位との関係,置換基と電極の寿命との関係を明らかとする。」を目標の一つとしていた。電極電位については十分検討が出来ていないが,寿命と置換基の関係については,一定の知見を得ることが出来た。さらには,新規材料の合成にも挑戦し,電極活性部位をオリゴマー化することで,寿命特性が改善することを見出した。 25年度の計画であった「結晶性低分子の酸化還元機構の解明」については予定を早めて検討を進めている。24年度に明らかとした有機電極材料へのリチウムイオンの挿入-脱離については,未だ世界で報告がないものであり,現在,誌上発表を検討している。
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今後の研究の推進方策 |
これまで得られた知見を元により高い性能を有する有機材料を新規に設計し合成する。既に多環構造を有するキノンを2量化もしくは3量化することで,容量を下げることなくサイクル特性を向上させることを見出しており,今後は,この方法論を他の骨格へ応用する。サイクル特性の向上に有効な置換基を併せて見出したが,電圧の低下を招く欠点が見つかった。この点に関しても,量子化学計算の結果と併せて改善-検討を試みる。 一方,充放電メカニズムの解明をより一層進める。優れた電極特性を示す試料について電極を作製し,有機電極材料の電子伝導度と充放電深度の関係について検討する。さらには,明らかとなっていない放電状態の結晶構造解析にも取り組む。 その後は,得られた正極材料と炭素系負極を併せたいわゆる全電池を作製し,実用に近い条件での評価を行うことで実用化に向けた問題点を明らかとする。
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次年度の研究費の使用計画 |
今年度は,使用可能な金額(約270万円)を以下のような分配で使用する計画を立てている。 充放電装置の増設:100万円,電極作製装置:50万円,合成等に必要な試薬等の物品費:60万円,測定費:30万円,学会発表等に必要な旅費:30万円 (合計270万円)。
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