アルミニウム二次電池正極に用いる硫黄ドープ炭素材料の開発

铝二次电池正极用硫掺杂碳材料的开发

• 批准号: 19J10398
• 负责人: 上村 祐也
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J10398/
• 关键词: アルミニウム二次電池; 硫黄系正極; ハロアルミネート系イオン液体

ハロアルミネート系イオン液体を電解液とし，負極に金属アルミニウムを用いるアルミニウム二次電池において，高性能な正極材料の開発が非常に重要な研究課題である。初年度において，ハロアルミネート系イオン液体中における硫黄の電気化学反応について調査し，硫黄の硫化物或いは塩化物が関与する反応が起きていることを明らかにした。これらの反応を正極反応として活用した場合，生成物である硫化物の低い導電性は充放電特性に大きな影響を与え，塩化物は電解液へ溶出するために充放電容量の減少を招くことが分かった。硫黄と複合化させる炭素材料に窒素ドープを行ったものを採用した結果，過電圧が低減され充放電特性に改善が見られた。塩化物が生成する電位範囲においても，酸化還元反応の効率が向上し，炭素材料の構造中に含まれる窒素サイトとの相互作用によって溶出が抑制されている可能性が示唆された。これらの結果より，アルミニウム二次電池用の硫黄正極を開発する上で，炭素材料への窒素ドープは有益な手法であることが明らかとなった。炭素材料と複合化させる硫黄材料についても検討を行った。単体硫黄に替わる材料として硫黄系ポリマーに着目し，ジチオールやアルケンといった化合物と単体硫黄を用いることでその合成を試みた。それらを活用した硫黄系正極の性能を評価したところ，硫黄系ポリマーの種類によっては過電圧が非常に小さくなることが確認でき，硫黄系活物質の改良によって正極性能の向上が可能であることが示唆された。これは，活性種となる硫黄元素がポリマーの構造中に取り込まれたことで，生成物や反応の活性化エネルギー等に変化が生じたことが要因ではないかと考えられる。ハロアルミネート系イオン液体を用いたアルミニウム二次電池において，硫黄系正極上における反応は特色あるものであり，本研究で得られた知見は今後の研究・開発に寄与し得るものである。

高性能阳性电极材料的发展是铝二级电池的一个非常重要的研究主题，使用基于卤氨酸的离子液体作为电解质和金属铝作为负电极。在第一年，我们研究了基于光铝板的离子液体中硫的电化学反应，并揭示了涉及硫化物或硫氯化物的反应正在发生。当这些反应用作阳性电极反应时，发现硫化物的低电导率对电荷和排放特性具有重大影响，并且氯化物将浸入电解质中，导致电荷和放电能力降低。由于使用与硫和氮掺杂的碳材料的结果，过电压减少并改善了电荷/排放特性。已经提出，即使在氯化物产生的电势范围内，氧化还原反应的效率也得到提高，并且由于与碳材料结构中包含的氮位点相互作用，因此可以抑制洗脱。这些结果表明，碳材料上的氮掺杂是开发用于铝二次电池的硫阴极的有用方法。还研究了要与碳材料结合的硫材料。我们专注于基于硫的聚合物作为替代单体硫的材料，并试图通过使用二硫醇和烷烃等化合物来合成它们。当使用它们评估基于硫的阳性电极的性能时，可以证实，根据基于硫的聚合物的类型，过电压将非常小，这表明基于硫的活性材料的改善可以改善阳性电极性能。这被认为是由于以下事实：硫元素的活性物种被掺入聚合物的结构中，从而导致产物的变化和反应的活化能。在使用卤铝酸离子液体的铝制二级电池中，基于硫的阳性电极的反应是独特的，在这项研究中获得的发现可以有助于未来的研究和开发。

项目成果

Aluminum Rechargeable Battery with Carbon Material-Based Cathodes

碳材料正极铝充电电池

• 发表时间: 2019
• 作者: Yuya Uemura;Tetsuya Tsuda;Hajime Matsumoto;and Susumu Kuwabata
• 通讯作者: and Susumu Kuwabata

Electrochemical behavior of sulfur-carbon composite materials in chloroaluminate ionic liquid

硫碳复合材料在氯铝酸盐离子液体中的电化学行为

• 发表时间: 2019
• 作者: Yuya Uemura;Junya Sasaki;Yuto Tsuji;Tetsuya Tsuda;Susumu Kuwabata
• 通讯作者: Susumu Kuwabata

ルイス酸性AlCl3-[C2mim]Clイオン液体における硫黄系正極の電気化学的挙動

硫基正极在​​Lewis酸性AlCl3-[C2mim]Cl离子液体中的电化学行为

• 发表时间: 2020
• 作者: 上村祐也;佐々木淳也;辻 優人;津田哲哉;桑畑 進
• 通讯作者: 桑畑 進

AlCl3－[C2mim]Clイオン液体中における硫黄-カーボンナノチューブ複合電極の電気化学挙動

硫-碳纳米管复合电极在AlCl3-[C2mim]Cl离子液体中的电化学行为

• 发表时间: 2019
• 作者: 上村祐也;佐々木淳也;辻 優人;津田哲哉;桑畑 進
• 通讯作者: 桑畑 進