Exploration of multivalent ionic conductor in complex hydride-based molecular crystal

复合氢化物基分子晶体中多价离子导体的探索

基本信息

批准号：
22H01803
负责人：
木須一彰
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01803/
关键词：
多価イオン伝導次世代電池水素化物中性分子分子結晶

项目摘要

本研究では、水素化物と中性分子から形成される "水素化物分子結晶群" を開拓によって、多価イオン伝導体を開発し、環境負荷・安全性・エネルギー密度等において理想的な蓄電デバイスである全固体多価電池を実現することである。2022年度は、水素化物分子結晶 MB12H12-nH2O（M=Zn or Mg, n=0-12）を開発し、その構造とイオン伝導の関係を明らかにした。NaB12H12を出発原料として、イオン交換・中和反応・環境制御（湿度・温度・圧力）によって、水和数の異なるZn系水素化物およびMg系水素化物の単体合成に成功した。イオン伝導特性を電気化学的手法によって評価した結果、Zn系およびMg系どちらにもおいてもn=12の試料において優れたイオン伝導率を有することがわかった（図）。ZnB12H12-12H2OのNMR測定からは、(1) Znイオンの伝導、(2) B12H12アニオンの回転運動、(3) Znへ直接配位しているH2Oと配位していないH2O間における交換反応、それぞれを示すシグナルが確認された。一方、その他の水和物または無水物については、これらのシグナルは得られていない。この結果より、ZnB12H12-nH2Oにおいて、中性分子である水分子数によって構造変化の柔軟性が増すことで、イオン伝導を促していることが示唆された。さらに、ZnB12H12-12H2Oを固体電解質、有機物系正極材料、亜鉛金属負極を用いた全固体電池を構築からは可逆な充放電特性が確認されており蓄電池動作を実証した。今後は、中性分子を水から有機溶媒等に変更し、より安定性の高いイオン伝導体・固体電解質の開発を検討する。

在这项研究中，我们将通过开发由氢化物和中性分子形成的“氢化物分子晶体”来开发多价离子导体，并实现全稳态的多价电池，这是2022财年环境负载，安全性，能量密度等的理想存储设备。在2022财年，我们开发了氢化物分子MB12-NH2O和MG之间的氢化物分子（MB）= 0-1离子电导率。使用NAB12H12作为起始材料，我们通过离子交换，中和反应和环境控制（湿度，温度，压力）成功合成了基于Zn的Hydrides和基于MG的氢化物。通过使用电化学技术评估离子电导率的结果，发现Zn和Mg系统在n = 12个样品中均具有出色的离子电导率（图）。 Znb12H12-12H2O的NMR测量结果证实了（1）Zn离子传导的信号，（2）B12H12阴离子的旋转运动，以及（3）H2O之间的H2O交换反应直接与Zn和H2O直接协调。另一方面，这些信号均未获得其他水合物或酸酐。这些结果表明，在ZNB12H12-NH2O中，由于中性水分子的数量，结构变化的柔韧性增加了，从而促进了离子传导。此外，使用ZNB12H12-12H2O使用固体电解质，有机阳性电极材料和锌金属负电极来构建全固态电池，证实了可逆的电荷和放电特性，证明了储物电池的运行。将来，我们将考虑将中性分子从水变成有机溶剂，并开发更稳定的离子导体和固体电解质。