2017 Fiscal Year Research-status Report
カーボンナノチューブを用いた機械的エネルギー貯蔵量向上の研究
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16K04893
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Suwa |
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Principal Investigator |
内海 重宜 諏訪東京理科大学, 工学部, 准教授 (00454257)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブロープ / 捻り / 機械的エネルギー貯蔵 / 重量エネルギー密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，単層カーボンナノチューブ（SWCNT）から成るロープ試料を捻ることで実際に貯蔵できる機械的エネルギー（重量エネルギー密度）を向上させ，リチウムイオン電池（LIB；0.72 MJ/kg）を凌ぐシミュレーション値である8 MJ/kgを目指すことである。
これまでの研究で，細いSWCNTロープ試料を再現性良く作製するため，セロハンテープを用いてバッキーペーパーから薄膜を作製しトルエン中で剥離する方法を確立したが，重量エネルギー密度は0.1 MJ/kg以下の低い値であった。赤外分光やRaman分光によりこのロープ試料を詳しく分析したところ，バッキーペーパーを作る超音波分散の際にSWCNT構造が崩壊している，すなわち，個々のSWCNTが短くなっていることが明らかとなった。このことが，貯蔵重量エネルギー密度が低い原因であった。
新たなSWCNTロープ試料を作製する手順として，フェルト状のSWCNT母材から糸状の束を引っ張り出すHangnail法を確立した。この方法には，超音波処理などの過程が不要なことやSWCNTの構造を破壊しないなどの利点があり，事実，赤外分光やRaman分光の結果から，ロープ試料のSWCNT構造はAs-received SWCNTと変わらないことが示唆された。Hangnail法で作製したSWCNTロープ試料の捻り試験を行ったところ，貯蔵できる重量エネルギー密度は平均で0.4 MJ/kg程度と，修飾していないSWCNTロープ試料では最大の値を示した。また，これまで使用していた平均直径2.0 nmのSWCNTから平均直径1.5 nmのSWCNTに変更した結果，さらに高い貯蔵重量エネルギー密度を示し，最新の結果では，LIBを凌ぐ貯蔵エネルギー密度（1-3 MJ/kg）が得られている。
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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
本研究の目的は，捻ることで単層カーボンナノチューブ（SWCNT）ロープ試料に機械的エネルギーを貯蔵し，さらに，SWCNTに化学的・物理的修飾を施してリチウムイオン電池（LIB；0.72 MJ/kg）を凌ぐ理論値8 MJ/kgを目指すことである。
本研究の遂行に必要なSWCNTロープ試料を再現性良く作製するバッキーペーパー法を既に確立していたが，貯蔵重量エネルギー密度が低いという問題があった。このSWCNTロープ試料を赤外分光やRaman分光により詳細に解析した結果，超音波分散によりSWCNTの構造が崩壊するという原因を突き止め，新たにSWCNTの構造変化なしでロープ試料の作製が可能なHangnail手法を確立した。貯蔵重量エネルギー密度は平均で0.3-0.4 MJ/kg，さらに，細い1.5 nmのSWCNTを使うとまだ検討段階で実験による誤差が大きいが，1-3 MJ/kgといった目標値の第一段階であるLIBと同等またはそれ以上の重量エネルギー密度を貯蔵することに成功した。平成29年度に達成したSWCNTへの貯蔵重量エネルギー密度は飛躍的に向上した。並行して，これから行うSWCNTロープ試料の化学的・物理的修飾に必要なレーザー照射装置，UV照射装置等の準備は終了している。これらの実験を行うことにより，SWCNTどうしが融着や接着をおこしSWCNTロープ試料の強化が見込める。予備的な実験によれば，レーザー照射や炭素蒸着が貯蔵重量エネルギー密度の向上につながることが示されており，これらの処理と処理を組み合わせて実行することによって，平成30年度の研究によって，更なる飛躍的な向上が見込まれる。したがって，平成29年度までの研究計画はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度の研究では，リチウムイオン電池（LIB；0.72 MJ/kg）の2-3倍のエネルギーを貯蔵できるSWCNTロープ試料の作製を目指す。
SWCNT母材として平均直径1.5 nmのe-DIPs SWCNTを用いる。平成29年度の研究で開発したSWCNTの構造変化の起こらないHangnail法を軸に研究を進める。まず，Hangnail法で作製したSWCNTロープそのものの重量エネルギー密度の再現性を確認する。この時点で，LIBと同レベルの貯蔵量を目指す。次に，SWCNTロープ試料に化学的・物理的修飾を施し，LIBの2-3倍の貯蔵量を目指す。
化学的修飾として，硫黄や遷移金属原子によるSWCNT間の接合，熱可塑性ポリウレタン・グラフェンオキサイド・シリコン樹脂などの粘弾性バインダーの添加を検討する。添加する化学種の添加方法や添加量を種々変化させ，貯蔵重量エネルギー密度への影響を検討する。物理的修飾として，レーザー光照射，カーボン蒸着，光・マイクロ波照射等を検討する。これらの処理は，SWCNTの局所的な高温処理（3000 K）を引き起こし，SWCNTどうしが融着することロープ試料の強化が見込まれる。これらの実験装置準備は自作が必要なものも含めてほぼ終了している。
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Research Products
(2 results)
