2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of carbon and electrolyte materials for potassium-ion capacitors
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16K14103
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
駒場 慎一 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (20302052)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | カリウムイオンキャパシタ / カリウムイオン電池 / インターカレーション / 炭素材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は，リチウムイオン電池に代わる新たな次世代電池としてカリウムイオン電池の開発および基礎研究に取り組んできた．カリウムイオン電池は，レアメタルや毒性元素を一切用いずに構成できることが特徴である．負極活物質には黒鉛を用いることが可能であることを明らかにしているため，この負極を利用すれば，レアメタルフリーなカリウムイオンキャパシタを構成することが可能になる．
そこで本研究では，カリウムイオンキャパシタ用負極材料を調査した．具体的には，黒鉛の結晶性や粒子サイズ，さらに黒鉛以外の炭素材料として，ハードカーボンやソフトカーボンの構造が，カリウムイオン挿入挙動にどのような影響を及ぼすかは十分に解明されていないため，さまざまな炭素材料を合成して各種有機電解液中でカリウムイオン電池負極特性を調査した．
黒鉛材料では，すでに産業界で実績のあるリチウムイオン電池用の各種黒鉛材料について，黒鉛の結晶構造と電気化学特性の相関を調査した．その結果，特に黒鉛の結晶性（黒鉛化度）が電気化学特性を左右する重要な因子であることが分かった．
ハードカーボンでは，電極を作製する際に用いる，導電助剤，高分子バインダーの選択が非常に重要で，とくにリチウムイオン電池とは異なる傾向を示すことを明らかにした．その上で，ハードカーボンの電池特性を引き出すための最適な電極作製条件を見出した上で，各種分析によってカリウムの脱挿入メカニズムを調査した．さらにソフトカーボンも合成し，これらの各種炭素負極に適合する電解液の調査も行った．
以上の結果の総括から，カリウムイオンキャパシタに求められるサイクル寿命やレート特性をまとめてリチウムイオンキャパシタに対する優位性を明らかにした．本成果を発展させて，今後はキャパシタ構成時に重要となるプレドープ法の確立する高次研究へ発展させ，デバイスの作動実証の研究へ展開する計画である．
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