研究概要

近年の研究内容の例

蓄電池用新規電解質材料の開発

本研究グループでは次世代用蓄電デバイスへの応用を指向した様々な電解質材料の開発を行っている。例えば、相溶性を有するイオン液体/ホウ素化合物二成分系電解液系は液状でありながら極めて高いリチウムイオン輸率を示し、ホウ素成分の導入が電位窓の拡張においても効果を示すことが見出されている。
加えて、新たなカテゴリーの低分子有機固体電解質として環状有機ホウ素電解質を見出し、固体電池用電解質としてリチウムイオン二次電池及びナトリウムイオン二次電池において有効に機能することが見出された。本系における結晶性有機ホウ素電解質とアニオンとの相互作用がカチオン輸送パスの構造に秩序を与えていると考えられる。同時に本結晶性電解質が有するナノチャンネル構造が効果的にイオン輸送チャンネルとして機能していると推定されている。とりわけナトリウムイオン二次電池系においては、優れたホウ素系界面の形成能により急速充放電に対しても顕著な有効性を示している。
さらに、バイオベースポリベンズイミダゾールをリチオ化した後にボラン種と錯形成させることにより、高イオン伝導度と高リチウムイオン輸率を併せ持つ高分子イオンゲル電解質の創出にも成功している。

蓄電池用高分子バインダー材料の合理的分子設計１

蓄電池の性能においては、電解質と両極の電極活物質のみならず、バインダー材料が多大な影響を与えることが広く認識されている。バインダー材料には、力学的強靭さや集電体への吸着力、活物質の保持能力、電解質との界面形成能、スラリー溶液への溶解性などの多様な特性が必要である。これらの特性をもたらす一つひとつの構造を戦略的に導入しつつ、精密に高分子バインダー設計を行うことは合理性を有する有意義なアプローチである。同時に最先端のバインダー材料設計においてはバインダー材料の電子状態が電極/電解質界面形成に多大な影響を与えることを考慮に入れた適切な設計が求められる。以上のような観点から、本研究室では近年高分子化イオン液体型バインダーやBIAN（ビスイミノアセナフテン）系バインダー（n型共役系高分子バインダー）を設計し、それらの優れた特性を見出すに至っている。

蓄電池用高分子バインダー材料の合理的分子設計２

また、近年リチウムイオン二次電池用の新たな負極活物質として従来のグラファイト系材料に代わってシリコン系負極の利用が高い関心を集めている。シリコンは地殻に極めて多く含まれる元素であることに加えて、グラファイトよりも10倍程度高い理論放電容量を有している。一方でシリコンは充放電に伴い多大な体積変化を伴い、その結果、粒子の破断や界面の破壊、集電体の剥離、クラック形成に伴う新たなシリコン表面における電解液の分解、厚い被膜形成により急速に電池性能が劣化する。本グループにおいてはシリコン負極を大幅に安定化させることを目的として、各種の自己修復型バインダー材料及びコーティング剤の開発を行っており、シリコン負極の大幅な安定化に成功している。

蓄電池用負極活物質の開発その１

近年の蓄電池開発においては急速充放電の重要性において関心が高まっている。本研究室においては、耐熱性高分子であるポリベンズイミダゾールを焼成することにより高濃度窒素ドープカーボンを合成し、これをリチウムイオン二次電池負極として適用することにより急速充放電能がグラファイト系よりも大幅に向上することを見出した。高濃度窒素ドープにより炭素材料マトリックスにおける効果的な構造欠陥の導入と層間距離の向上が観測され、これらがリチウムイオンの拡散性の向上と急速充放電能の発現につながった。

蓄電池用負極活物質の開発その２

次世代の高容量負極として期待されているシリコン電極においては、その高い理論容量にも関わらず充放電に伴う多大な体積変化による系の不安定性が露呈している。本グループでは前述のように高分子バインダーの合成を通してこの問題に挑んでいるが、同時に体積膨張・収縮を制御可能な新型負極活物質の創出にも取り組んでいる。最近、本グループではb-シリコンカーバイド/窒素ドープカーボン複合活物質がリチウムイオン二次電池において長期的に高容量と高耐久性を発現することを見出した。b-シリコンカーバイドは閃亜鉛鉱型構造を有しており、ダイヤモンド型構造のシリコンとは異なりリチウム挿入時の体積膨張が大幅に少ない。その結果、充放電時の活物質層の崩壊を抑止することが可能で耐久性を伴った高容量の充放電挙動につながったと考えられる。

電気化学触媒の開発

本研究室においては、リチウム―空気電池の開発における要素技術となっている酸素還元反応触媒、酸素発生反応触媒の開発にも取り組んでいる。剥離アセチレンブラック―白金ナノ粒子コンポジットは剥離アセチレンブラックの高い官能基密度に伴う優れた金属―基板相互作用や、優れた電解液の吸収性、低い界面抵抗により商用の電気化学触媒と比較して大幅に高い活性を示した。また、水系溶液中におけるクリーンな光反応で調整できる酸素還元反応触媒や、酸化チタンナノチューブ―共役系高分子複合体を担持体とした金属ナノ粒子の電子状態制御にも取り組んで成果を挙げている。

上記は研究プロジェクトの幾つかの例であるが、これら以外にもスーパーキャパシター、リチウム硫黄電池、蓄電池用添加剤（正極安定化剤）の合成研究など、多様なアングルから蓄電池研究に取り組んでいる。