高容量・高電圧作動ハイブリッドキャパシタに関する研究

• Project/Area Number: 17K05962
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Energy-related chemistry
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 宮本 淳一 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (30450662)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 直井 勝彦 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 卓越教授 (70192664) ; 岩間 悦郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90726423) ; 木須 一彰 東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (80755645)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 省エネルギー / 蓄電デバイス / キャパシタ / ナノ材料 / リチウムイオン電池 / ナノ粒子

Outline of Annual Research Achievements

最終年度は平成30年度に決定した負極材料にLi3VO4(LVO)/多層カーボンナノチューブ複合体、正極材料にLi3V2(PO4)3：(LVP)を使用し、高電圧作動キャパシタの構築およびその性能について検討した。その結果電圧としては2.0～3.0Vで動作可能であり、これまでのキャパシタより高電圧作動可能であることを確認した。ただしサイクル劣化が1000サイクル以降徐々に進行することが判明した。その原因を各種分光法により劣化試料を分析したところ、負極表面に微量のバナジウムを検出し、そのバナジウムを中心に電解液分解物が表面堆積物を形成していることがわかった。この表面堆積物は活物質を被覆する表面固体皮膜(SEI)となり、そのためにサイクル劣化が生じているのではないかと考えている。さらにこのSEI中にフッ化リチウムを含むことがわかり、電解液中にフッ化水素が存在していることを示唆している。したがって、サイクル劣化の主要因は正極あるいは負極に含まれるバナジウムがHFにより溶出し、それが負極表面で堆積し、触媒として作用することで電解液を分解し、アルキル炭酸リチウムの生成を促進し電極被覆し、Liイオン拡散を阻害するためと考えられた。この原因解明のため、現在バナジウムが正・負極いずれから溶出しているのかを調査している。バナジウム溶出の抑制には電極活物質ナノ結晶を酸化物など各種無機物によりコートすることを検討している。
本研究期間の成果としては既に実用化されている両極活性炭である電気二重層キャパシタや、負極にチタン酸リチウムを用いたナノハイブリッドキャパシタより更に高電圧作動可能なキャパシタの構築を検討した。その結果、負極にLVO正極にLVPを用いることで目標である高電圧化が達成可能であることを示した。今後サイクル特性の劣化を抑えることでさらに実用化レベルに近づくと考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Cation-Disordered Li3VO4: Reversible Li Insertion/Deinsertion Mechanism for Quasi Li-Rich Layered Li1+x[V1/2Li1/2]O2 (x = 0-1) (2018)
  • Author(s): Patrick Rozier, Etsuro Iwama, Nagare Nishio, Kazuhisa Baba, Keisuke Matsumura, Kazuaki Kisu, Junichi Miyamoto, Wako Naoi, Yuki Orikasa, Patrice Simon, Katsuhiko Naoi
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 30 Issue: 15 Pages: 4926-4934
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00721
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultracentrifugation: An effective novel route to ultrafast nanomaterials for hybrid supercapacitors (2017)
  • Author(s): Iwama Etsuro、Simon Patrice、Naoi Katsuhiko
  • Journal Title: Current Opinion in Electrochemistry Volume: 6 Issue: 1 Pages: 120-126
  • DOI: 10.1016/j.coelec.2017.10.011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ハイブリッドキャパシタ用負極材料 Y2Ti2O5S2の電気化学特性 (2018)
  • Author(s): 秋山 大智, 工藤 安未, 青山 達郎, 青柳 真太郎, 岩間 悦郎, 宮本 淳一, 直井 和子, 直井 勝彦
  • Organizer: 第59回電池討論会
• [Presentation] Cation-disordered Li3VO4 : バナジン酸リチウム負極の充放電メカニズム解析 (2018)
  • Author(s): 岩間 悦郎, 馬場 一久, 松村 圭祐, 高木 健太, 植田 雄大, 折笠 有基, Patrick Rozier, Patrice Simon, 直井 和子, 直井 勝彦
  • Organizer: 第59回電池討論会
• [Presentation] メカノケミカル法を用いたCation-Disordered Li3VO4の合成と負極特性評価 (2018)
  • Author(s): 松村圭祐・馬場一久・岩間悦郎・直井和子・直井勝彦
  • Organizer: 第8回CSJ化学フェスタ2018
• [Presentation] 遷移金属酸硫化物Y2Ti2O5S2のハイブリッドキャパシタ負極材料としての電気化学特性評価 (2018)
  • Author(s): 工藤安未・秋山大智・青柳真太郎・岩間悦郎・宮本淳一・直井和子・直井勝彦
  • Organizer: 第8回CSJ化学フェスタ2018
• [Presentation] Li3V2(PO4)3/カーボンナノチューブ複合体のスーパーレドックスキャパシタ正極特性 (2018)
  • Author(s): Vo Nguyen Hong Trang・辰巳哲行・沖田尚久・永友 遥・木須一彰・直井和子・直井勝彦
  • Organizer: 第8回CSJ化学フェスタ2018
• [Presentation] ハイブリッドキャパシタ用ナノ結晶TiO2(B)負極の高密度化/高出力化メカニズムの解析 (2018)
  • Author(s): 木須一彰, 江川慶彦, 青柳真太郎, 岩間悦郎, 宮本淳一, 直井和子, 直井勝彦
  • Organizer: 電気化学会第85回大会
• [Presentation] 遷移金属酸硫化物Y2Ti2O5S2 のハイブリッドキャパシタ負極材料としての電気化学特性評価 (2018)
  • Author(s): 木須一彰, 秋山 大智, 工藤 安未, 江川 慶彦, 青柳真太郎, 岩間悦郎, 宮本淳一, 直井和子, 直井勝彦
  • Organizer: 電気化学会第85回大会
• [Presentation] ナノ結晶TiO2(B)におけるハイブリッドキャパシタの負極特性向上メカニズム (2017)
  • Author(s): 江川慶彦，青柳真太郎，岡崎敬太，秋山大智，宮本淳一，木須一彰，岩間悦郎，直井和子，直井勝彦
  • Organizer: 第58回電池討論会
• [Presentation] 遷移金属酸硫化物Y2Ti2O5S2のハイブリッドキャパシタ負極特性 (2017)
  • Author(s): 秋山大智, 青柳慎太郎, 岡崎敬太, 江川慶彦, 木須一彰, 岩間悦郎, 宮本淳一, 直井和子, 直井勝彦
  • Organizer: 第58回電池討論会