高出力・高エネルギー密度二次電池の革新的電極材料開発

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平成２８年度に国際共同研究として取り組んだのはモリブデン化合物の１次元クラスターポリマー材料である。硫化モリブデンクラスター(Mo3S11)nはモリブデン原子３個からなるクラスターがペンダント型に連なった１次元無機ポリマーであるがＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ観察を用いて構造解析した結果、モリブデン原子３個からなるクラスターが明確に観測され、これらのクラスターが結合したポリマーがコンフォメーション変化を行っているダイナミクスも直接観察できた。この硫化モリブデンの１次元ポリマーの電極特性を調べた結果、非常に高活性な水素還元特性を有していることが判明した。白金に迫る高い電極触媒をレアメタルフリーの化合物から見出したことは低コストの燃料電池やレアメタルフリー化に貢献する革新的なエネルギー機能材料であり、国際共同研究成果は世界トップ誌に掲載された（Nature Materials, 15, 640-646 (2016)）。また、東北大の本間研ではこの研究をさらに進め、これらの１次元ポリマー材料の二次電池応用を検討した。現在、移動体電源として多価イオンを可動キャリアとする二次電池、特にマグネシウム電池に注目が集まっているが、硫化モリブデン化合物のマグネシウムイオン電池活物質としての性能を評価したところ、約80mAh/gの高い活物質容量を得ることが出来た。充放電前後の試料に対してＸＰＳ分析を行った結果、クラスター表面に存在する硫黄原子の内、末端硫黄原子のぺア(terminal sulfur)と２価のマグネシウムイオンとの可逆的なファラディック反応が生じ、大きな容量を得ることが出来たと考えている。現在、高容量なマグネシウムイオン電池の正極活物質は見つかっていない状況であり、本研究成果はハイインパクトの国際誌に掲載さ入れた。（Nano Letters, 16, 5829-5835 (2016)）