【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　根岸雄一
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 次世代蓄電池として期待されているリチウム硫黄（Li-S）電池の課題である容量低下を、テトラチアフルバレン（TTF）とクラウンエーテルを組み込んで開発した共有結合性有機構造体（COF）^（注１）「TUS-44」を活用することで精密に制御できることを示しました。
• TUS-44@G層は、リチウムポリスルフィド（LiPSs）^（注２）を化学的に捕捉しながら、硫黄酸化還元反応^（注３）の変換速度を高め、リチウム硫黄電池^（注４）のシャトル効果^（注５）を抑制しました。
• TUS-44@Gを導入した電池は、2 A g⁻¹で1455.7 mA h g⁻¹の高容量、10 A g⁻¹で773 mA h g⁻¹の高レート性能、5 A g⁻¹で1000サイクル後も1サイクルあたり0.034%という低い容量劣化を示しました。
• TUS-44@Gを用いたリチウム硫黄パウチセルは、約674 Wh kg⁻¹の初期エネルギー密度を示し、実用化へ向けた可能性を示しました。

【概要】

リチウム硫黄（Li-S）電池は、高エネルギー密度を実現できる次世代蓄電池として期待されていますが、充放電中に生成する可溶性リチウムポリスルフィドの移動（シャトル効果）による容量低下が課題でした。

東北大学多元物質科学研究所の根岸雄一教授、Das Saikat講師らの研究グループは、蘭州大学およびSRM University APとの共同研究により、TTF骨格とベンゾ[18]クラウン-6骨格を組み込んだ新規COF「TUS-44」を開発し、導電性グラフェンとの複合体（TUS-44@G）をセパレーター中間層として導入しました。TUS-44は、イミン窒素、クラウンエーテル酸素、TTF由来の硫黄部位を利用してリチウムイオンとポリスルフィドを効率的に捕捉し、硫黄変換反応を促進します。その結果、TUS-44@G電池は0.2 A g⁻¹で1455.7 mA h g⁻¹、10 A g⁻¹で773 mA h g⁻¹の高容量を示し、5 A g⁻¹で1000サイクル後も容量劣化率0.034%/サイクルという優れた耐久性を達成しました。さらに、パウチセルでは約674 Wh kg⁻¹の高エネルギー密度を実現しました。

本成果は、高エネルギー・長寿命Li-S電池の実現に向けた新たな材料設計指針を示すものです。

本研究成果は2026年6月16日付けで科学誌Smallに掲載されました。

【用語解説】

注1. 共有結合性有機構造体（COF: Covalent Organic Framework）：
有機分子同士が共有結合により周期的に連結された結晶性多孔材料。細孔サイズ、骨格構造、官能基、電子状態を分子レベルで設計でき、吸着、分離、触媒、エネルギー貯蔵など幅広い応用が期待されている。

注2. リチウムポリスルフィド（LiPSs: Lithium Polysulfides）：
リチウム硫黄電池の充放電過程で生成するLi₂S_x（一般にx = 4-8など）の可溶性中間体。電解液中に溶出しやすく、セパレーターを通過して負極側へ移動すると容量低下や副反応の原因となる。

注3. 硫黄酸化還元反応：
リチウム硫黄電池において、硫黄（S₈）がリチウムポリスルフィドを経由してLi₂S₂/Li₂Sへ還元され、充電時には逆方向へ酸化される多段階反応。反応速度が遅いと高レート性能や長寿命化が制限される。

注4. リチウム硫黄電池：
硫黄を正極活物質、リチウム金属を負極として用いる二次電池。硫黄の高い理論容量と低コスト性から次世代高エネルギー密度電池として期待されるが、ポリスルフィドシャトルや反応速度の遅さが課題である。

注5. シャトル効果：
充放電中に生成した可溶性リチウムポリスルフィドが正極と負極の間を移動し、副反応を繰り返す現象。活物質の損失、自己放電、クーロン効率低下、寿命低下の主因となる。

【論文情報】

タイトル：Polysulfide Immobilization and Sulfur Conversion Kinetics Promotion via a Tetrathiafulvalene-Crown Ether COF@Graphene Layer for High-Rate Lithium-Sulfur Batteries
著者：Kai Sun²†, Tsukasa Irie¹†, Samim Reza³, Kohki Sasaki¹, Mika Nozaki, ¹ Tokuhisa Kawawaki¹, Yujun Fu², Dequan Liu², Ranjit Thapa*³, Saikat Das*¹, Deyan He*², Yuichi Negishi*¹（1.東北大学多元物質科学研究所、2.蘭州大学、3.SRM University AP）
†これらの著者は本研究に同等の貢献をしました。
*責任著者：東北大学 多元物質科学研究所　根岸 雄一教授
蘭州大学　Deyan He教授
東北大学 多元物質科学研究所　Das Saikat講師
SRM University AP　Ranjit Thapa教授
掲載誌：Small
DOI：10.1002/smll.74240

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授　根岸雄一
TEL: 022-217-5604
Email: yuichi.negishi.a8*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学多元物質科学研究所
講師　Das Saikat
TEL: 022-217-5606
Email: das.saikat.c4*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
TEL: 022-217-5198
Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）