2015 Fiscal Year Annual Research Report
硫黄不定比性新規金属硫化物の探索と硫黄シャトル電池の提案
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14J09637
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小林 弘明 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 硫黄シャトル電池 / 電気化学的硫黄脱挿入 / チタン硫化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
硫化物イオンをキャリアとした室温動作が可能な新方式二次電池「硫黄シャトル電池」の実証に向け、室温における金属硫化物の電気化学的硫黄脱挿入反応のための条件を検討した。その結果26年度から27年度にかけて、二硫化チタンTiS2の電気化学的硫黄脱挿入反応が可逆に進行することが明らかになった。さらに充放電メカニズム解明及び電気化学的手法を用いた硫黄不定比性金属硫化物の探索を進めるため、TiS2の電気化学的硫黄脱挿入反応に関し、以下の内容に取り組んだ。
① 26年度の実施内容において、TiS2の電気化学的硫黄脱離によってTiSが生成することを粉末X線回折(XRD)から明らかにしたが、還元生成物の組成に関する定量的な評価は未検討だった。そこで27年度には電気化学反応前後の電極の組成をICP発光分光分析やCHNS分析によって調べることにより、還元によってTiS2から硫黄が脱離することを定量的に明らかにした。また、還元後のチタン硫化物は不定比性を持つ化合物であることも明らかになり、室温での電気化学的硫黄脱挿入による不定比性金属硫化物の調製に成功した。
② 26年度に確立した電気化学測定条件では、電解液の自己放電によってTiS2電極の酸化還元反応におけるファラデー効率が低下するという問題点が明らかになった。そこで27年度にはこの自己放電を抑えるため、電極間にガラスセパレーターが設置可能となるように電気化学セル構造を変更した。その結果電解液の自己放電が抑制されファラデー効率が向上した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
27年度の実施計画中の項目①「チタン硫化物の室温での電気化学硫黄脱挿入反応に対する反応メカニズムの解明」については、TiS2を還元した際の硫黄脱離量を定量的に明らかにしたことから計画通りであるが、さらに28年度の計画である「新規硫黄不定比性新規金属硫化物の合成・物性探索」において、室温での電気化学的硫黄脱挿入反応によって不定比性チタン硫化物が生成することを明らかにし、計画を前倒しで進展させることができた。項目②の「電気化学硫黄脱挿入反応のファラデー効率の向上」については計画通りに順調に進んだ。項目③の「チタン硫化物以外の金属硫化物に対する電気化学的硫黄脱挿入反応の検討」については28年度においても継続して実施する。以上を踏まえ、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの進展を踏まえた①～③の各項目とともに、④としてアニオンの酸化還元を利用した高容量二次電池開発についての項目を追加して実施する。
① TiS2の電気化学的還元において、電極への硫化カリウムの析出が元素分析によって示唆された。析出した硫化カリウムは定量時の誤差の原因になるため、電解質の溶解度向上を狙いテトラブチルアンモニウムイオンをカチオンとした電解質などを検討し、電気化学セルの改善を行う。
② これまでに高温条件で硫黄の脱挿入反応が報告されているニッケル硫化物に対し、本電気化学的手法によって硫黄脱挿入が進行するか調べる。また、硫黄の3p軌道と遷移金属の3d軌道が近いために硫黄脱挿入が期待できるバナジウム硫化物などにも電気化学測定を行い、硫黄シャトル電池の電極として有用な材料探索を行う。
③ 電気化学的硫黄脱挿入によって新規金属硫化物を調製、物性探索を行うため、まず既に不定比化合物の磁気特性が明らかになっている鉄硫化物に対し電気化学的硫黄脱挿入を行い、磁化率測定を行う。その後、新規金属硫化物を調製し物性探索を行う。
④ 近年、硫化物イオン、フッ化物イオン、酸化物イオンといったアニオンの酸化還元を利用した電池やアニオンシャトル電池の研究が多くなされている。中でもアニオンの酸化還元を利用した電池は理論容量が大きく、多硫化物イオンと硫化物イオンの間のレドックスや過酸化物イオンと酸化物イオンの間のレドックスを利用した高容量二次電池の開発を目指す。
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Research Products
(1 results)
