| 研究課題/領域番号 |
25410250
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
江頭 港 日本大学, 生物資源科学部, 准教授 (20304842)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 二次電池 / ナノ材料 |
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| 研究実績の概要 |
電気化学デバイス、例えば高容量が期待される金属－空気二次電池への適用を企図して、鉄の酸化還元反応を理解し制御することを実用上の目的とした。鉄（水酸化鉄および酸化鉄）と繊維状ナノ炭素との複合電極を種々の手法により調製し、充放電（酸化還元）特性を比較した。実用上の観点からは、現在10%程度である鉄の利用効率を向上することが最大の課題である。また鉄の充放電反応のメカニズムには不明な点があり、この解明に資する情報を得ることが学術上の課題である。
昨年度の検討で、複合方法によらず鉄の含有量のある程度の増大とともに、アルカリ電解液中での鉄の利用効率が増大することを見い出した。鉄の含有量増大は鉄粒子の表面積減少につながると予想されるため、逆の傾向の原因となる減少は興味深い。この理由を中間生成物の触媒的な伝播であると推測した。これに基づき、鉄の利用効率の低い鉄／ナノ炭素複合電極に、中間生成物と推測されるFeOOHを少量添加して特性を評価した。FeOOHの添加により鉄の利用効率は顕著に向上し、この効果を裏付けた。溶液法で水酸化鉄／ナノ炭素複合電極を、二価と三価の鉄を種々の比率で混合して調製した。二価の鉄を含む場合、水酸化鉄の粒子径は大きくなり結晶化が促進して表面積が減少するものの、鉄の利用効率は向上した。以上の検討から、二価の鉄が共存することで触媒的に三価の鉄の還元／酸化のサイクルを促進する効果が明らかになった。
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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
本研究の目的を端的にまとめると、①電池電極としての鉄の利用効率の向上、および②放電（酸化）過程での鉄の変化の理解である。本年度は主に②の解明に対して、大きな進展が見られた。調製段階での二価と三価の鉄の共存が鉄の利用効率向上に有効であることが、複数の視点から確認された。これは単に実用上の課題解決のみならず、鉄の充放電機構を理解する上でも重要な情報となる。こうした点から、本研究は現時点でおおむね順調に進展しているものと言える。また、本研究での成果は電気化学会秋季大会にて発表するとともに、Electrochemistry誌に投稿し掲載が決定している。成果の外部発表も行われており、研究の着実な進展を裏付けている。ただし、計画ではスズ、クロム、マンガンなど異種金属と鉄の複合に関しても検討を予定していたが、ニッケル添加により鉄の利用効率がむしろ低下したこともあり、現時点ではニッケルのみにとどまっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後なお利用効率の向上を企図し、以下の項目を検討する。①鉄と異種金属との複合について、金属種を慎重に選択しつつ検討を行う。②充電の副反応である水素発生を抑制するため、ナノ炭素表面にチオフェンを重合し析出させる。ナノ酸化鉄Fe3O4とチオフェン被覆ナノ炭素との複合化により、電極を調製する。③微粒子状の複合体を結着するバインダーとして、これまで用いてきたポリ四フッ化エチレン(PTFE)に代えてポリエチレングリコール(PEG)を使用し、バインダー部材の影響を確認する。③種々の電気化学試験を行い、充放電反応機構を明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究計画はおおむね予定通り進行しているが、研究打ち合わせや外部発表の機会を十分に持つことができず、計画では旅費として500千円充てていたが、上記の理由で実際の使用額が41千円となり、物品費を予定より多く使用したものの次年度使用額242千円が発生した。
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| 次年度使用額の使用計画 |
昨年度計画に対し未達成の検討があるため、その検討も併せて行う。これを踏まえて、次年度使用額を含めて実験用試薬およびガラス器具などの購入費用（物品費）に442千円、電気化学会、炭素材料学会など国内での学会発表および研究打ち合わせのための旅費として300千円、論文掲載料や英文校閲に係るその他の費用として200千円を、それぞれ使用することを計画している。
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