2018 Fiscal Year Annual Research Report
固体電気化学反応に基づいたナノ材料の機能創出とエネルギー科学への展開
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17H03048
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
吉川 浩史 関西学院大学, 理工学部, 准教授 (60397453)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 金属有機構造体 / ポリオキソメタレート / 二次電池 / X線吸収微細構造分析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分子や分子集積体を対象に、次世代二次電池として実用化されうるような性能を有する蓄電デバイスの開発と固体電気化学反応を利用した新奇物性開拓を目的とする研究を行った。
高性能な蓄電材料の創製と蓄電デバイスへの応用については、前年度までの成果を基に、3次元空孔構造を有するポリオキソメタレート（POM）化合物のナトリウム電池特性を検討した。その結果、Mo21V6O75の組成式を持つTrigonal-MoVO-POMを正極活物質とするナトリウム電池が、1サイクル目で287mAh/gと大きな容量を示し、30サイクル後でも93%の容量を維持した。この値は、ナトリウム電池の正極材料候補として代表的な層状酸化物やNASICON型正極材料よりも良い。その他に、ジスルフィド部位を有する配位子を含む様々なMOF（DS-MOF）についてその正極特性を検討したところ、空孔を有するDS-MOFでは、MOF内における電気化学的動的共有S-S結合により、高容量と安定なサイクル特性が得られるという一般則を見出した。なお、これらの反応機構は、X線吸収微細構造分析により明らかにされた。
一方で、固体電気化学反応を利用した新奇物性開拓については、発光特性を示すMOFを正極とする二次電池を作製し、それが酸化還元活性であることを確認したうえで、電気化学反応中の発光測定が可能な特殊なセルを用いて、酸化還元に伴う発光変化の計測を試みたが、大きな発光変化がなかった。現在、光照射下での充放電特性の変化を検討するなどしている。
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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
高性能な蓄電材料の創製と蓄電デバイスへの応用については、研究計画通りに、酸化還元活性な多孔性MOFやPOMを用いることで、ナトリウム電池にまで応用可能な正極材料を実現しつつあり、当初の計画をほぼ達成することができているといえる。また、その他の高性能な電極として、多孔性有機結晶材料も見出しつつあり、順調に進展しているといえる。
一方で、固体電気化学物性研究については、電気化学反応により発光性MOFの発光特性を可逆に変化させるという試みは現時点では成功していないものの、多数の発光性MOFがあることから、これらを試していくことで、必ず電気化学反応による発光性コントロールはできると考えている。これに加えて、光応答性配位子を有するMOFで、光照射により電気化学反応を制御するという逆発想の研究が進みつつあり、計画はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
高性能な蓄電材料の創製と蓄電デバイスへの応用については、H30年度の研究を継続し、多電子の酸化還元活性を示す多孔性のMOFやPOMを作製して、Li電池だけではなく、Na電池の正極としても機能するかどうかを検討する。また、MOFやPOMとともに、多孔性の有機結晶材料についても作成と電池特性の評価を行う。具体的には、ドナー分子及びアクセプター分子からなる多孔性電荷移動錯体を新規に創製し、その正極材料としての可能性や空孔の効果を明らかにする。
一方で、固体電気化学反応による物性変化については、発光性MOFのイオンの吸脱着や金属イオンおよび配位子の酸化還元反応に伴う発光特性のオンオフを引き続き検討するとともに、光応答性の配位子を有するMOFを対象に、光照射による固体電気化学反応の制御といった逆方向の研究についても検討を行う。
以上のように、高性能な二次電池の実現と新奇固体電気化学物性の両面で本研究を推進していく。
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