Nano-Confinement of Insulating Sulfur in the Cathode Composite of All-Solid-State Li‒S Batteries using Flexible Carbon Materials with Large Pore Volumes

Masanori Yamamoto*, Shunsuke Goto, Rui Tang, Keita Nomura, Yuichiro Hayasaka, Youichi Yoshioka, Masashi Ito, Masahiro Morooka, Hirotomo Nishihara, and Takashi Kyotani
ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 38613‒38622
DOI: 10.1021/acsami.1c10275

高比表面積 (~2,000 m2 g‒1) と大きな細孔容積 (~5.3 cm3 g‒1: メソ孔+ミクロ孔) を有する三次元多孔性グラフェン材料 (Nanoporous Graphenes, NPGs)。この多孔性炭素材料を硫黄系全固体電池の正極導電助剤として適用したところ、優れた耐久性とレート特性が実現しました。また、高角度散乱暗視野走査透過電子顕微鏡法 (HAADF-STEM) および 飛行時間型二次イオン質量分析法 (TOF-SIMS) を適用することで、高い充放電繰り返し特性が「特異なナノ空間閉じ込め効果 (Nano-confinement effect) 」による硫黄活物質保持に起因することを明らかにしています。

絶縁性の硫黄活物質が導電性の多孔性炭素から分離 (Phase Segregation) することが充放電に伴う容量低下の一因であると考察しており、多孔性グラフェン NPGs を導電助剤に用いた場合にはこの現象が抑制されています。多孔性グラフェン NPGs の大きな細孔容積、連続グラフェン構造に起因する優れた酸化還元耐久性および機械的柔軟性が全固体電池性能を引き出すのに有益であると考察しています。多孔性グラフェン材料 NPGs に関する一連の研究成果（合成、構造評価、物性評価）は国際的に高く評価されており、英国・王立化学会のフラッグシップジャーナルであるChemical Science誌に関連総説論文を発表しております (M. Yamamoto et al. Chem. Sci. 2024, 15, 1953‒1965)。分子論的理解に基づいたより精密な多孔性グラフェン材料合成化学を展開し、人類が抱えるエネルギー問題の解決に資する先端炭素材料の創成に貢献してまいりたく存じます。

東京科学大学 山本雅納

Dr. Masanori Yamamoto Assist. Professor of Chemical Science Department of Chemical Science and Engineering,Institute of Science Tokyo 2‒12‒1 Ookayama, Tokyo 152‒8550 RSC Advances Outstanding Reviewer Telephone&Fax: +81 (0)3 5734 2624 E-mail : yamamoto@mol-chem.com