Synthesis of organosilicon materials with redox function and application to next generation secondary battery

具有氧化还原功能的有机硅材料的合成及其在下一代二次电池中的应用

基本信息

批准号：
19K05430
负责人：
関口章
金额：
$ 2.75万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高容量かつ安全性の高い次世代型二次電池の性能向上はグリーンイノベーションの重要課題である。現在、注目されている負極材料は蓄電池容量の大きなケイ素材料である。本研究では有機ケイ素材料のレドックス反応を基盤とした充放電可能な二次電池の開発を目指した研究を行う。しかし、本研究は研究代表者の健康上の理由で初年度途上で中途終了することになってしまったが、これまでに得た結果を以下に記載する。酸化還元時に構造変化を抑えたケイ素ラジカルが希少金属を用いない高出力デバイスの負極活物質として優れた性能を示すことを明らかにした。ケイ素ラジカル負極活物質を用いた二次電池のレート特性を検討し、出力密度を上げても十分なエネルギー密度を保持していた。リチウム塩を含む電解質を用いた充放電時のケイ素ラジカルの分光学的解析から、充電時にSi-Li結合を形成し、放電時にこの結合を切断してケイ素ラジカルを再生することを明らかにした。また、新たなケイ素負極活物質の開発とレドックス特性を有する複数のラジカルを集積させることを目的として、二次元ネットワーク構造をもつ層状ポリシラン (SiH)nの化学修飾を検討した。層状ポリシラン(SiH)nをトルエンに分散し、Karstedt触媒を用いると芳香族アセチレン化合物へのヒドロシリル化反応が起こり、層状ポリシランを有機化できることを明らかにした。有機化した層状ポリシランは空気中で安定であり、種々の有機溶媒に可溶であった。特に、４-メチルフェニルアセチレンと反応させることによってマイクロメートルサイズの層状ポリシランの合成を達成し、このものが光応答伝導特性を示すことを明らかにした。ニトロキシルラジカル誘導体による層状ポリシランの官能基化は達成できなかった。

提高高容量和安全性的下一代二次电池的性能是绿色创新的重要问题。目前备受关注的负极材料是硅材料，其对于蓄电池来说容量较大。在本研究中，我们将进行旨在开发基于有机硅材料的氧化还原反应的可充电和可放电二次电池的研究。然而，由于主要研究者的健康状况，这项研究不得不在第一年中途终止，但目前为止获得的结果如下。研究表明，氧化还原过程中结构变化受到抑制的硅自由基作为不使用稀有金属的高功率装置的负极活性材料表现出优异的性能。我们研究了使用硅自由基负极活性材料的二次电池的倍率特性，发现即使当输出密度增加时，其仍保持足够的能量密度。使用含有锂盐的电解质对充电和放电过程中的硅自由基进行光谱分析表明，在充电过程中形成Si-Li键，并且这些键在放电过程中断裂以再生硅自由基。此外，我们还研究了具有二维网络结构的层状聚硅烷（SiH）n的化学改性，旨在开发新型硅负极活性材料并整合具有氧化还原性能的多种自由基。据揭示，当将层状聚硅烷(SiH)n分散在甲苯中并使用Karstedt催化剂时，芳族乙炔化合物发生氢化硅烷化反应，并且层状聚硅烷可以转化为有机化合物。有机层状聚硅烷在空气中稳定，可溶于多种有机溶剂。特别是，我们通过与4-甲基苯乙炔反应实现了微米级层状聚硅烷的合成，并揭示了该材料表现出光响应导电性能。无法实现用硝酰自由基衍生物对层状聚硅烷进行官能化。