Development of safe, sustainable and low-cost solid-state concrete storage battery

• Project/Area Number: 22K18301
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 23:Architecture, building engineering, and related fields
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: Sanjay PAREEK 日本大学, 工学部, 教授 (20287593)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 荒木 慶一 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (50324653) ; 江口 卓弥 日本大学, 工学部, 助教 (40965373)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2026: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2022: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: コンクリート蓄電池 / ジオポリマ ーコンクリート / エネルギー密度 / 充電・給電・放電速度 / サイクリックボルタンメトリー / キャパシター

Outline of Research at the Start

本研究では、安全・低環境負荷・低コストを特徴とするコンクリート全固体蓄電池の開発と蓄電メカニズムの解明を目的とする。具体的には、ジオポリマーと呼ばれる低環境負荷コンクリートを対象として、ジオポリマーの調合、微量添加物の種類と量、電極の材料などを工夫することにより、従来より一桁大きく大容量蓄電システムとして非常用電源や再生可能エネルギーの発電量の季節間変動の平準化に使えるようなエネルギー密度を実現することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，コンクリート電池の開発を行うため，添加剤や電極，環境条件下での性能変化の検討を行った。以下に結果の要約を記す。
■各試験体の使用材料，作製及び基本性状
1) コンクリートに電気を蓄え放電を行えることを確認した。また，添加剤によって性状が変化することを確認した。2) 電極間距離を縮めることで，電気容量・放電時間が増加することが確認できた。電極同士を縮めることで導電性が向上し，性能が改善したと考えられる。3) カーボンブラックを添加することで性能が向上したが，セルロースナノファイバーを添加しても性能に明確な向上はなかった。カーボンブラックは導電性材料であり，試験体内部で電子の動きを助長していることが性能向上の要因として考えられる。4) 電極に使用するメッシュの目が細かくなるほど性能が向上する傾向が確認できた。電極表面積が増加することで，電極に電子が付着しやすくなり性能が向上したと考えられる。
■電池性能に関する最適な添加剤及び環境条件下での性能変化についての検討
1)カーボンナノチューブを添加することで性能が向上することが確認できた。カーボンナノチューブはナノサイズのチューブ状で形成されるため，導電性を助長し性能が向上したと考えられる。2)カーボンブラックの添加量を増やしすぎると性能が低下することが確認できた。導電性材料を過剰に添加すると，導通を起こすことが原因と考えられる。3)セルロースナノファイバーの添加量を増やしても明確な性能変化がないことが確認できた。4)環境条件下での性能変化の検討で，加湿・加圧条件下では明確な性能変化がないことを確認した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新規購入の計測機の納入が非常に遅れたため，実験の進捗が遅れた。更に，性能確認のための実験には多数のパラメータがあるため，個々のパラメータの影響を明確にする時間を要した。

Strategy for Future Research Activity

令和４年度、購入したボルタンメトリー計測機を活用し，最適な添加剤，電極間距離及び電極に用いる金属板メッシュの網目に関して比較検討を行い，電気容量や放電時間の改善を目指す。

Research Products

• [Remarks] 2023年一般社団法人日本建築材料協会優秀学生賞
  • URL: https://www.kenzai.or.jp/page/topics-association/1106/