次世代グリーンエネルギーデバイスに貢献する機能性有機･高分子材料の開発

• 研究概要

  本研究チームでは、将来の情報社会の発展や電気自動車の本格普及、省エネ･環境維持などへの貢献に欠かせないグリーンエネルギーデバイス（Liイオン二次電池，燃料電池，バイオマスエネルギーなど）の開発に着目している。これまで個々のメンバーが進めてきた要素技術およびGIR若手チームにおける実績をベースに、有機･高分子を基幹材料とする新規グリーンエネルギーデバイスに関する国際共同研究体制を構築する。チームメンバーは、イオン伝導性高分子の開発や蓄電池研究が専門の富永を中心に、高分子合成や触媒技術が専門の中野、液晶性分子の集合構造や燃料電池研究が専門の一川、塗布乾燥プロセスでの移動現象メカニズム解析･応用が専門の稲澤、機能膜設計・移動物性が専門の大橋、環境機能材料や膜工学が専門の兼橋、の計6名構成である。本研究では、「グリーンエネルギーデバイス」を共通のキーワードに、機能性有機･高分子に関する個々の高い専門性を融合し、かつそれぞれには無い基礎知見・技術を補いながら、密に結集して材料開発からデバイス評価まで一貫した研究の展開を目指す。

• 研究目的

  有機･高分子材料は、成型加工性に優れ、軽量で安全性も高いことから、次世代のグリーンエネルギーデバイス研究の発展に必要不可欠なキーマテリアルである。近年のIoTなど情報技術の発展や電気自動車の世界的な広がりなどに伴い、有機･高分子に固有の材料物性を有する新たなデバイスに対するニーズは急速に高まっている。特に、有機･高分子からなる固体イオニクス材料に関する研究開発は国内外で激しさを増しており、我が国においても研究分野を超えた連携および国際協力が欠かせない。そこで本研究では、本研究分野の第一線で活躍する研究者による国際チームを構築し、新規グリーンエネルギーデバイスの創出を可能にする材料開発を目指す。本研究期間では、既存の若手チームで得られた高分子系固体イオニクス材料に関する基礎研究成果をベースに、各メンバーによる機能性高分子材料やエネルギーデバイスに関する国際研究基盤の構築および強化につなげる。具体的には、新規高分子の合成、Li空気電池やLi硫黄電池の基礎評価、高分子形燃料電池への応用、膜分離技術によるグリーンエネルギーの有効利用、などである。我が国における固体イオニクスの研究は、特にLiイオン二次電池など蓄電池用途に関しては年々減少しており、その多くに用いられた高分子材料の実用化に対する性能の低さが問題であった。燃料電池に関しては、芳香族炭化水素系高分子の基礎研究が日米を中心に進んでいるが、新しい材料系やアプローチの異なる研究例は少ない。最終的には、それぞれが有しているコア技術を融合することでデバイスへの展開が可能な新規材料系を見出し、これまでにないグリーンエネルギーデバイスの応用研究へ発展させることを目指す。

• 研究計画

  初年度は、メンバー個々の国際共同研究体制の構築を中心に進める。富永は、チーム全体の統括を行うとともに、自身の研究に関しては、これまでに見出してきた新規高分子イオニクスに関する基礎知見をもとに、雇用･招聘外国人とともに蓄電池や新型電池への応用可能性について具体的な検討を行う。中野は、Liイオン電池や燃料電池の固体高分子電解質に用いるイオン伝導性高分子材料の合成を進める。特に、富永が開発してきたポリカーボネート型イオン伝導性高分子をベースとして、その主鎖や側鎖に適切な官能基を導入することや他の高分子材料と複合化させることで、イオン伝導特性の向上と実装に必要な各種機能の制御について検討する。一川は、2019年度に開発したジャイロイド構造膜をより高機能化し、超高速プロトン伝導膜の開発を目指す。海外の研究者と連携し、膜中におけるナノ構造解析やプロトンの伝導メカニズムの解明にも挑戦する。更に、これらの膜を分離膜としての展開についても進める。稲澤は、電極作製で頻繁に用いられる塗布乾燥プロセスを検討する。チームメンバーおよび招聘外国人研究者から、電極内部の最適な構造について意見交換をしながら、塗布液の組成や乾燥速度などが薄膜内部の構造にどのような影響を与えるかを明らかにする。大橋は、電池中で使用される電解質膜の高性能化を検討する。招聘外国人研究者との意見交換を通じて、要求性能を実現しうる電解質膜のナノ・ミクロ構造を提案し、彼らのノウハウを織り込みながら性能実現を目指す。兼橋は、高分子材料中の物質移動の観点からイオンの拡散を考察する。各研究テーマは、メンバーそれぞれの研究室で実施することを予定している。
  一方で、メンバーからの実験結果を基にチーム内で共有し、それぞれの研究に適した材料をデザインするための指針を議論することも検討する。すべての雇用･招聘外国人研究者には、できる限りすべてのメンバーと学術的な議論を行いながら、得られる基礎研究成果を共著論文にまとめるプロセスにも関与させ、将来的なデバイス応用研究にもアドバイスを求める。また、本チームに属する若手研究者や大学院生の教育にも関与し、より優れた論文の作成につなげる。次年度以降は、前年度までに構築してきた国際共同研究体制をさらに発展させ、国際共著論文の投稿につなげていく。最終年度は、本チーム内での連携促進にもつなげて、さらなる国際共著論文の増加に発展させていく。

  

その他の研究者

中野　幸司　（工学研究院・准教授）
一川　尚広　（工学研究院・准教授）
稲澤　晋　（工学研究院・准教授）
大橋　秀伯　（工学研究院・准教授）
兼橋　真二　（工学研究院・准教授）