東北大学、導電助剤フリーの有機蓄電池を開発：導電性リレー機構で導電性を保持

有機蓄電池のさらなる高性能化に期待

　東北大学多元物質科学研究所の小林弘明助教らは2020年5月、導電助剤を用いなくても高速充放電が繰り返し可能な「有機蓄電池」を開発したと発表した。有機蓄電池の高容量化や高性能化が可能になるという。

　蓄電池の電極材料として、環境負荷が小さく資源も豊富な有機材料が注目されている。ところが、有機材料の多くは絶縁性を示す。このため、電極として用いるには大量の導電助剤を使って導電性を向上させる必要がある。その分、電極中の有機材料比率が低下し、エネルギー密度が下がるという課題もあった。

　導電性ポリマーや電荷移動錯体、有機ラジカル塩といった、比較的高い導電性を示す有機半導体材料もあり、一部で実用化されている。しかし、合成の煩雑さや導電性の低下などが指摘されており、本格的な実用レベルには至っていなかったという。

　小林氏らは今回、2つの有機分子材料を混ぜることで導電性が現れる電荷移動現象と、充放電時の導電性有機ラジカル塩生成機構を組み合わせた「導電性リレー機構」を考案した。具体的には、有機分子材料の「テトラチアフルバレン（TTF）」と「テトラシアノキノジメタン（TCNQ）」を混合した電極と、「臭化ナトリウム（NaBr）水溶液（電解液）」を組み合わせた。これによって、導電助剤を全く用いなくても、充電／放電時間が約10分という高速充放電を繰り返し行えることを確認した。

有機分子材料表面における、電荷移動を用いた導電性電極と充放電反応の導電性リレー機構の模式図 出典：東北大学

　TTFとTCNQは、混合することにより粒子表面で電荷移動が起こり、表面で導電性を示す。また、TTFと臭化物イオン、TCNQとナトリウムイオンは、それぞれ有機ラジカル塩の「（TTF）Br_n」（0.7＜n＜0.8）と「NaTCNQ」を形成することが分かっている。これらは、TTFやTCNQに比べて高い導電性を示すという。電荷移動現象と有機ラジカル塩を行き来する導電性リレー機構によって、充放電時に電子状態が変化しても、電極が高い導電性を保つことが可能となった。

左はTTF結晶、中はTCNQ結晶、右はTTFとTCNQを乳鉢で20分混合した粒子。表面での電荷移動により導電性が発現し黒色となった 出典：東北大学