Development of Organic Energy Materials Chemistry

電気や水素などの二次エネルギーの蓄積機能を発現する高分子の設計に関する基本的考え方である「双安定性」の概念を，実践的MIの手法も取り入れながら拡張することで革新的エネルギー変換機能を担う「有機エネルギーマテリアル化学」を確立する方針に沿って継続して取り組んだ。キーワードである「双安定性」とは，蓄電物質では酸化・還元の両状態，水素貯蔵物質では水素付加体・脱離体の化学的安定性を指す。蓄電機能を発揮させるには，分子レベルの酸化還元の可逆性に加え，厚みを持った物質で双安定性を実現することが必須の要件である。このような電荷蓄積の考え方を水素貯蔵に適用し，水素付加体・脱離体の双安定性を持たせることにより，新しい水素キャリア高分子を次々と創出している。本年度は特に，エネルギー蓄積密度の向上に資するレドックス当重量や質量水素密度を因子とした分子設計の確立と，具体的な高分子創出に注力した。双安定性に立脚した分子設計からは出力密度に関わる制御因子を導くことができないため，出力を向上させるための有効な手段や考え方を確立することを目指した。以下に概要を述べる。エネルギー変換物質における出力 (パワー密度) に関わる因子を解明するため，活性部位の電極反応速度定数や自己電子交換の二次反応速度定数を因子とした，いわゆる平均場近似に基づく分子設計の方法論を明確にした。例えば，有機二次電池の潜在的優位性である高いパワー密度 (LIBの約100倍以上に当たる10000 W/kg超) を実現するには， 電極反応速度定数の大きいレドックス席の適用が極めて有効であることが多くの具体的事例から明らかになった。また，水素キャリア高分子の応答はこれまで数時間を要し，パワー密度に関わるレート特性の向上が課題となっていたが，インダノン／インダノールを反応部位とすることにより，温和な条件下でも10倍以上の出力を達成した。

電気や水素などの二次エネルギーの蓄積機能を発現する高分子の設計に関する基本的考え方である「双安定性」の概念を，実践的MIの手法も取り入れながら拡張することで革新的エネルギー変換機能を担う「有機エネルギーマテリアル化学」を確立する方針に沿って継続して取り組んだ。キーワードである「双安定性」とは，蓄電物質では酸化・還元の両状態，水素貯蔵物質では水素付加体・脱離体の化学的安定性を指す。蓄電機能を発揮させるには，分子レベルの酸化還元の可逆性に加え，厚みを持った物質で双安定性を実現することが必須の要件である。このような電荷蓄積の考え方を水素貯蔵に適用し，水素付加体・脱離体の双安定性を持たせることにより，新しい水素キャリア高分子を次々と創出している。本年度は特に，エネルギー蓄積密度の向上に資するレドックス当重量や質量水素密度を因子とした分子設計の確立と，具体的な高分子創出に注力した。双安定性に立脚した分子設計からは出力密度に関わる制御因子を導くことができないため，出力を向上させるための有効な手段や考え方を確立することを目指した。以下に概要を述べる。エネルギー変換物質における出力 (パワー密度) に関わる因子を解明するため，活性部位の電極反応速度定数や自己電子交換の二次反応速度定数を因子とした，いわゆる平均場近似に基づく分子設計の方法論を明確にした。例えば，有機二次電池の潜在的優位性である高いパワー密度 (LIBの約100倍以上に当たる10000 W/kg超) を実現するには， 電極反応速度定数の大きいレドックス席の適用が極めて有効であることが多くの具体的事例から明らかになった。また，水素キャリア高分子の応答はこれまで数時間を要し，パワー密度に関わるレート特性の向上が課題となっていたが，インダノン／インダノールを反応部位とすることにより，温和な条件下でも10倍以上の出力を達成した。