2015 Fiscal Year Research-status Report
カーボンのミクロ・ナノ空間を利用した超高容量リチウムイオン電池用電極材料の開発
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15K06004
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| Research Institution | Nagano National College of Technology |
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Principal Investigator |
押田 京一 長野工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (90224229)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
板屋 智之 長野工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (80263961)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノコンポジット / 電界紡糸 / 多孔質材料 / カーボン / セルロース / 透過電子顕微鏡 / 画像処理 / 蓄電デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，異なる先駆体を単独あるいは混合して用いて微細空間を有する炭素材料を調製し，そのミクロ・ナノ空間を利用して，高性能電極材料の開発をはじめとする応用の探索を目的としている．
コンポジットにより活性炭を作成し，透過電子顕微鏡（TEM）で観察した結果を画像処理することにより構造を解析した．微細空間をもつ高機能性炭素材料を作成することを目的に，ピッチにセルロースを分散した状態で複合化し，それを炭素材料化することを試みた．セルロースは分子量が小さく熱処理による重量損失が大きいため，熱処理過程においてセルロースとピッチの混合物からは，セルロースの分子が盛んに放出される．セルロース放出後の炭素体は多数の細孔を含む多孔質体となる可能性をもつので，ナノセルロースとピッチを混合して，これを用いた電気二重層キャパシタ（EDLC）の特性について評価した．また，ナノ空間を効率よく創製するため，ナノセルロースとカーボン材料を分散した溶液を作成し，高性能炭素材料作成のための電界紡糸実験を行った．
調製した活性炭素材料をTEMにより観察した．得られたTEM像を画像処理により2次元フーリエ変換し，積分することにより，微細空間の特徴をつかむことができた．これらをEDLCの電極に用いることにより，高い容量が得られると考えられる．イオン液体等を用いたところ，セルロースまたはカーボン先駆体の溶媒中への分散が成功した．ナノセルロースとピッチを混合して調整した炭素複合電極の静電容量は，ナノセルロース炭素電極の約3倍，ピッチ炭素電極の約7倍であった．このことから，両者を混合した複合材料にすることにより静電容量が増加したと考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
微細空間をもつ高機能性炭素材料を作成することを目的に，ピッチにセルロースを分散した状態で複合化し，それを炭素材料化することを試みた．コロイダルセルロースを利用することにより，水にセルロースを分散させた状態を作ることはできた．ピッチと水との親和性が低く，また，ピッチのエッジへの親水基の導入によるピッチの親水化もうまくいなかったので，イオン液体等を用いたところ，セルロースまたはカーボン先駆体の溶媒中への分散が成功した．
試料を炭素化した炭素材料を高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）で観察した．1nm以下の微細な組織が観察された．観察により得られたHRTEM像に2次元高速フーリエ変換（2D-FFT）を施し，空間周波数データを得た．得られたパワースペクトルを求め，空間周波数分布を定量的に調べるため，パワースペクトルを，その中心点について回転方向に積分してグラフ化し，空孔の解析を行うことができた．
微細空間をもつ高機能性炭素材料を作成することを目的に，ピッチにセルロースを分散した状態で複合化し，それを炭素材料化することを試みた．セルロースは分子量が小さく熱処理による重量損失が大きいため，熱処理過程においてセルロースとピッチの混合物からは，セルロースの分子が盛んに放出される．セルロース放出後の炭素体は多数の細孔を含む多孔質体となる可能性をもつので，ナノセルロースとピッチとを混合して，これを用いたEDLCの特性について評価した．また，ナノ空間を効率よく創製するため，ナノセルロースとカーボン材料を分散した溶液を作成し，高性能炭素材料作成のための電界紡糸実験を行った．イオン液体等を用いたところ，セルロースまたはカーボン先駆体の溶媒中への分散が成功した．この溶液を用いて電界紡糸するなどして，高機能材料開発を行うことが期待できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の手段として電界紡糸等を用いてコンポジット材料を作製し，創製したナノ空間をTEM観察し，画像処理を用いて，多孔質炭素材料の構造解析を行う．多孔質炭素材料の微細空間内に異種物質導入し，TEM観察と画像処理等により，その状態を確認する．以上の結果を高性能な炭素材料の設計に反映させる．
今後はナノセルロース複合材料の最適な調製方法の獲得およびピッチ以外の新たな混合材料について探索し，細孔が生成する機構および静電容量の拡大について検討することが必要である．ナノセルロースをPAN等の含まれた有機溶剤に分散した溶液を作成することができた．PANおよびセルロースの混合比，温度，湿度を変えて検討し，電界紡糸が行える条件を見つけ出すことができた．電界紡糸装置を用いて作成したナノファイバー径は300～500nm程度となった．現在，作成したナノファイバーを不融化したのち炭素化し，電極を作成し，EDLCの電気化学特性の測定を進めている．物性評価もあわせて行い，電極材料設計にフィードバックして行く計画である．現在，一回に2mlしか紡糸できないので，電極を作成するためには多数回の紡糸作業が必要となる．紡糸条件が得られた材料については，効率的な電界紡糸を進める．また，PANに異種物質を導入したときの紡糸条件を検討する．作製した材料を収率を高めるなど焼成する条件を合わせて検討する．
さらにリチウムイオン電池（LIB）の電極材料にも応用するため，カーボンのミクロ・ナノ空間を創製し，グラファイトの10倍以上の充放電容量を持つシリコン結晶をこの空間内に形成する実験を行う．微細空間により充放電時におけるSiの体積変化を吸収することにより，サイクル特性の優れた革新的超高容量LIBの実現につなげる．
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| Causes of Carryover |
設備等，予定していた額より低価格で購入できたため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前年度の残額が少ないので，次年度の消耗品等の購入に使用する予定である．
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