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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Novel Energy and Information Conversions, Created by Solid-State Electrochemical Processes

Research Project

Project/Area Number 16H06353
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

阿波賀 邦夫  名古屋大学, 理学研究科, 教授 (10202772)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 原田 潤  北海道大学, 理学研究院, 准教授 (00313172)
Irle Stephan  名古屋大学, 理学研究科(WPI), 教授 (00432336)
吉川 浩史  関西学院大学, 理工学部, 准教授 (60397453)
横川 大輔  名古屋大学, 理学研究科(WPI), 特任准教授 (90624239)
Project Period (FY) 2016-05-31 – 2021-03-31
Keywords固体電気化学 / 分子物性化学 / 2次電池 / 有機エレクトロニクス
Outline of Annual Research Achievements

固体電気化学を利用した新しいエネルギー変換や情報変換の方法論の確立、さらには新物質開発を目指している。分子性材料を用いた高エネルギー・高パワー密度の分子性2次電池を実現するとともに、界面電気2重層を利用した有機エレクトロニクスを発展させる。さらに固体電気化学プロセスを利用して新しい分子性の機能性物質を作製し、分子物性科学と固体電気化学にWin-Winの関係を構築する。
分子性2次電池の研究では、共有結合構造体(COF)を用いたLi-S電池の開発を目指した。この電池では、分子性S8が金属LiによってLi2S にまで順次還元させていくなかで、極めて大きな理論電池容量が期待される。本研究では、COFナノポーラス孔内に3重結合を導入し、この部位に硫黄を結合させた系の合成に成功した。Li電池の正極活物質として試したところ、極めて高いサイクル特性やクーロン効率が得られた。このほか、2電子の酸化還元反応を示すジスルフィド化合物を配位子として金属有機構造体(MOF)に組んだ2次電池についても研究を進めた。
電解質溶液がゲート誘電体として用いられている電気二重層トランジスタは、高効率かつ高濃度のキャリア注入が可能である。本研究では、さまざまな濃度の塩化リチウムのPEG溶液を用いて自然電位を調べたところ、化学ポテンシャルのように濃度のlogに比例することが分かった。このPEG溶液をゲート誘電体に用いて電気二重層トランジスタを作製・評価したところ、自然電位と閾値電圧の比例関係を見出した。なお、自然電位の起源そのものについても、統計力学的手法を用いた解析により分子論的な解釈を得た。
新物質開拓においては、有機イオン結晶中のイオン回転に由来する強誘電相と、昇温による柔粘性結晶への相転移を発見した。さらに、三角形型キラルアニオン分子がつくるK4構造と、その格子上のスピンフラストレーションに起因するスピン液体状態を見出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

COFを用いたLi-S電池の開発については、期待通りの成果が上げられつつある。電気2重層を利用した有機エレクトロニクスに関しては、電解質の濃度に依存するトランジスタ特性を明らかにでき、さらにこれを理論的に解釈することができた。電解結晶化による分子性K4構造の構築は大きな副産物で、低温の物性測定から注目を集めているスピン液体状態を見出すことができた。

Strategy for Future Research Activity

分子性2次電池開発に関しては、MOFや導電性シリカを硫黄担持体とするLi-S電池の研究を進める。電気2重層を利用した有機エレクトロニクスに関しては、有機強誘電体を用いたトランジスタや光電セルに取り組みたい。さらに、電気化学発光にも挑戦したい。電解結晶化によるK4構造などの強等方性物質開拓については、トリプリチセン骨格分子を利用した分子性グラフェンフェン構造の構築を試みる。

  • Research Products

    (20 results)

All 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Acknowledgement Compliant: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 7 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] The University of Edinburgh/Imperial College London(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      The University of Edinburgh/Imperial College London
  • [Int'l Joint Research] Seoul National University/The Catholic University of Korea(韓国)

    • Country Name
      KOREA (REP. OF KOREA)
    • Counterpart Institution
      Seoul National University/The Catholic University of Korea
  • [Journal Article] Molecular and thin film properties of cobalt half-sandwich compounds for optoelectronic application2017

    • Author(s)
      M. Reinhardt, S. Dalgleish, Y. Shuku, L. Reissig, M. M. Matsushita, J. Crain, K. Awaga and N. Robertson
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 19 Pages: 6768-6776

    • DOI

      10.1039/C6CP08685C

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] A perovskite based plug and play AC photovoltaic device with ionic liquid induced transient opto-electronic conversion2016

    • Author(s)
      S. Karak, C. Nanjo, M. Odaka, K. Yuyama, G. Masuda, M. M. Matsushita, K. Awaga
    • Journal Title

      J. Mater. Chem. A

      Volume: 4 Pages: 9019-9028

    • DOI

      10.1039/C6TA01427E

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Highly-oriented molecular arrangements and enhanced magnetic interactions in thin films of CoTTDPz using PTCDA templates2016

    • Author(s)
      K. Eguchi, C. Nanjo, K. Awaga, H. H. Tseng, P. Robaschik and S. Heutz
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 18 Pages: 17360-17365

    • DOI

      10.1039/C6CP01932C

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Integration of Paramagnetic Diruthenium Complexes into an Extended Chain by Heterometallic Metal-Metal Bonds with Diplatinum Comple2016

    • Author(s)
      K. Uemura, N. Uesugi, A. Matsuyama, M. Ebihara, H. Yoshikawa, K. Awaga
    • Journal Title

      Inorg. Chem.

      Volume: 55 Pages: 7003-7011

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.6b00741

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Synthesis of Vanadium-Incorporated, Polyoxometalate-Based Open Frameworks and Their Applications for Cathode-Active Materials2016

    • Author(s)
      Zhenxin Zhang, Hirofumi Yoshikawa, Zhongyue Zhang, Toru Murayama, Masahiro Sadakane, Yasunori Inoue, Wataru Ueda, Kunio Awaga, Michikazu Hara
    • Journal Title

      Eur. J. Inorg. Chem.

      Volume: 2016 Pages: 1242-1250

    • DOI

      10.1002/ejic.201501396

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Discovery of a Bipolar Charging Mechanism In the Solid-State Electrochemical Process of a Flexible Metal-Organic Framework2016

    • Author(s)
      Zhongyue Zhang, Hirofumi Yoshikawa, Kunio Awaga
    • Journal Title

      Chem. Mater.

      Volume: 28 Pages: 1298-1303

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.5b04075

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Transport Characteristics of the Organic Field-Effect Transistors Based on Charge Transfer Complex as Semiconductors2016

    • Author(s)
      S. Yokokura, Y. Takahashi, H. Hasegawa, J. Harada, T. Inabe, M. M. Matsushita, K. Awaga
    • Journal Title

      J. Nanosci. Nanotech.

      Volume: 16 Pages: 3355-3359

    • DOI

      10.1166/jnn.2016.12301

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Redox-active metal-organic frameworks as electrode materials for batteries2016

    • Author(s)
      Z. Zhang, K. Awaga
    • Journal Title

      MRS Bulletin

      Volume: 41 Pages: 883-889

    • DOI

      10.1557/mrs.2016.245

  • [Journal Article] Directionally tunable and mechanically deformable ferroelectric crystals from rotating polar globular ionic molecules2016

    • Author(s)
      J. Harada, T. Shimojo, H. Oyamaguchi, H. Hasegawa, Y. Takahashi, K. Satomi, Y. Suzuki, J. Kawamata, and T. Inabe
    • Journal Title

      Nature Chem.

      Volume: 8 Pages: 946-952

    • DOI

      10.1038/NCHEM.2567

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Unique ferroelectric properties found in organic ionic plastic crystals2016

    • Author(s)
      Jun Harada
    • Organizer
      Conference of the Asian Crystallographic Association
    • Place of Presentation
      ハノイ
    • Year and Date
      2016-12-04 – 2016-12-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Organic Transistors and Opto-Electronic Conversion Assisted by Electric Double Layers at Liquid-Solid Interfaces2016

    • Author(s)
      Kunio Awaga
    • Organizer
      MRS Fall Meeting
    • Place of Presentation
      Boston
    • Year and Date
      2016-11-27 – 2016-12-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Redox-Active Molecule-Based Frameworks for Energy Storage- Rechargeable Li Batteries of Molecular Clusters, MOFs and COFs2016

    • Author(s)
      Kunio Awaga
    • Organizer
      MRS Fall Meeting
    • Place of Presentation
      Boston
    • Year and Date
      2016-11-27 – 2016-12-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] EDL Organic Transistors and Photocells2016

    • Author(s)
      Kunio Awaga
    • Organizer
      Japan-China bilateral symposium on organic semiconductors
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-10-16 – 2016-10-18
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structural and Physical Properties of Highly-Correlated Electron Systems in Thiazyl Radicals2016

    • Author(s)
      Kunio Awaga
    • Organizer
      MolMag-2016
    • Place of Presentation
      Novosibirsk
    • Year and Date
      2016-09-19 – 2016-09-23
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] K4 Structure Formed by a Triangular π Radical Anion2016

    • Author(s)
      Kunio Awaga
    • Organizer
      International Conference on Molecule-Based Magnets
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2016-09-04 – 2016-09-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Organic Electronics of Phthalocyanines Assisted by Electric Double Layers in Ionic Liquids2016

    • Author(s)
      Kunio Awaga
    • Organizer
      International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines
    • Place of Presentation
      Nanjing
    • Year and Date
      2016-07-03 – 2016-07-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 物性化学研究室

    • URL

      http://advmat.chem.nagoya-u.ac.jp/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 正極物質、正極、及び二次電池2016

    • Inventor(s)
      上村光弘、小川光輝、阿波賀邦夫、張中岳、ウヤン
    • Industrial Property Rights Holder
      上村光弘、小川光輝、阿波賀邦夫、張中岳、ウヤン
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2016-228992
    • Filing Date
      2016-11-25

URL: 

Published: 2018-01-16  

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