Organic nanocrystalline heterostructures for high energy density electrode materials

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現行のリチウムイオン二次電池正極材料にはコバルト等のレアメタルが使用されていることから資源的制約に課題がありサプライチェーンリスクを抱える。本研究ではこの課題を解決するため、金属資源を一切使用しないレアメタルフリーな有機電極材料の開発を目的とする。有機分子材料は資源的制約がなく、軽元素から構成され多彩な分子設計を可能とし、理論上は有機分子官能基の多電子レドックス反応の利用により現在のリチウムイオン電池無機系電極材料を凌駕する高い蓄電エネルギー密度が可能である。令和3年度は上記目的を達成するため、カルボニル系有機正極材料としてクロコン酸分子に着目し、計算科学的、電気化学的アプローチにより有機リチウムイオン二次電池の動作実証を行った。その結果、DFT計算によりクロコン酸分子中のカルボニル基が4V以上の動作電位で2電子レドックス活性を示すことが示唆された。このレドックス反応の利用が可能であれば、現行リチウムイオン二次電池を超える高エネルギー密度蓄電システムの開発が可能となる。実際にクロコン酸を正極材料として電気化学評価を行ったところ、約4Vの高電位で繰り返し充放電動作することが確認された。Fe3+とdhbq配位子からなる新規MOFであるFe2(dhbq)3の開発に成功し、本錯体が多孔性と高い電気伝導性を有することを見出すとともに、本錯体がリチウムイオン電池の正極として、300mAh/gという極めて大きい放電容量を有することを明らかにした。また、６電子レドックス特性が期待される分子としてトリプチセンヘキサチオールの合成に成功した。放射光顕微XPSによる有機電極活物質評価のテストとして、エッジを選択的に光酸化したグラフェンにおけるエッジ近傍での電荷移動の定量的評価に成功した。局所的な輸送特性を計測しながらラマン分光観測ができる多探針オペランド顕微ラマン分光装置の開発も行った。