イオン液体を用いた革新的エネルギー変換技術の開発

• 研究概要

  イオン液体はイオンだけから構成される液体で、常温で塩が溶融するように構成イオンを設計することで得られる。水や有機溶媒と全く異なる性質を持った液体であり、これらの性質を有効に活用することで、従来のエネルギー変換技術の限界を打ち破ることを目指す。具体的には、植物を非加熱で溶解、多糖類やリグニンを取り出し、エネルギー物質や機能物質に変換し、新しい燃料電池の構築につなげる。また、従来の電池の物性改善や、新しい冷熱サイクルの設計も進める。多様な目的に適したイオン液体を自在にデザインし、目的に沿ったイオン液体を設計・合成を行うことで研究を推進する。これにより、エネルギー関連に寄与するイオン液体の基礎物性と、実用化を目指した展開の両方を充実できる知見が世界に先駆けて得られる。

  

• 研究目的

  エネルギー関連課題は今日最も重要な解決すべきものである。中でもイオン液体を用いてこれを解決しようとする動きは盛んになってきている。英国、米国、イタリア、ドイツ、オーストラリアなどの諸国でイオン液体を電解質に用いた安全で高機能電池の製作、燃料電池の電解質としての評価、バイオマスエネルギー変換用の溶媒としての評価などが行われている。研究チーム代表者はイオン液体研究分野では世界をリードする研究者であり、ionic liquid で検索すると、世界のトップ１０に入る論文数(175件)を発表している。招聘する外国人研究者とも親しく、共同研究も行っている。今回強力な共同体制を組むことにより、この分野のさらなる飛躍を計画した。

  イオン液体を様々な方法でエネルギー研究に利用することを目標とし、これまでに展開されている各種電池へ利用し、性能の格段の向上を図る。併せて、周辺領域で未開拓の分野、例えば、燃料電池への利用や、高分子化したイオン液体の利用法の開拓、さらには熱変換プロセスに応用し、今までにない新規な技術を確立することを目標とする。

  イオン液体に関する研究は急増しているが、それらの研究のほとんどは市販のイオン液体を使っているため、研究目的に沿ったイオン液体デザインができない。当グループでは新規イオン液体を数百種以上作製しており、種々の目的に適したイオン液体を自在にデザインできることは極めて独創的であり、研究を推進する上で優位である。このような状況でいくつかの目的に沿ったイオン液体を設計・合成し、本チームのメンバーに提供し、研究を推進する。これにより、エネルギー関連に寄与するイオン液体の基礎物性と、実用化を目指した展開の両方を充実できる知見が世界に先駆けて得られる。

  

• 研究計画

  研究チーム代表者は、イオン液体の設計と評価を行い、メンバーに各種イオン液体を提供すると共にイオン液体構造と特性の相関を整理し、今後のイオン液体デザインの知見とする。また、メンバーからの実験結果を基に議論し、それぞれの研究にさらに適したイオン液体をデザインするための設計指針を整理する。外国人研究者は全てのメンバーと学術的な議論をし、学術指導のみならず所属大学との共同研究の窓口として機能し、イオン液体を使った電池の評価を進め、チームに属する研究者、大学院生の教育にも関与し論文作成の助言を行う。

  メンバーは、イオン液体型の燃料電池やレドックスフロー電池の設計・評価を担当し、電極の開発を積極的に行う。また、より安全で扱いやすい燃料電池に要求される項目を満足するイオン液体を用いて実際に電池を構築し、基礎データを集積する。得られた知見と使用したイオン液体の関係から性能改善に向けたイオン液体設計について提案する。イオン液体を用いた新規熱輸送、特に、吸収冷凍サイクルを設計するためにイオン液体水溶液の圧力-温度-濃度の関係を整理し、温度によって2層に分離するイオン液体を吸収材に用い、冷媒の吸収および冷媒と吸収溶液の分離性能を実測する。さらに、加えた熱と得られる冷熱に基づきエネルギー変換効率を算出する。様々な側鎖構造のCO2/エポキシド交互共重合体の合成を行い、イオン伝導度および誘電緩和測定や基礎物性を測定･解析、ラマン分光測定によるイオン溶存状態の解析を実施する。最終的には、イオン伝導度およびカチオン(Li+)輸率に優れる固体高分子電解質の組成を決定、電気化学特性の評価を行う。電池の構築は主にローマ大学等で行い性能評価までつなげる。メンバー全員が国際共同研究に関与し得られた成果は国際共著論文として投稿する。年間10報以上の国際共著論文の作成を計画している。

  

その他の研究者

中村　暢文　（工学研究院・教授）
秋澤　淳　（工学研究院・教授）
富永　洋一　（工学研究院・准教授）
鶴巻　晃子　（グローバルイノベーション研究院・特任教授）