世界最大の表面積とミクロ孔容積をもつナノカーボンによるエネルギー貯蔵材料創製

2006 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18201020
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 京谷 隆 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90153238)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西原 洋知 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (80400430) ; 折笠 広典 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (90375163)
• Keywords: ナノカーボン / エネルギー貯蔵材料 / ゼオライト / 鋳型法 / ミクロ孔

Research Abstract

3次元規則性カーボンネットワーク構造と電気二重層キャパシタのパフォーマンスに関し検討を行い、以下に示すような先進的な知見が得られた。
1)世界最大の表面積を持つこのカーボンは世界最大級のキャパシタ容量を示した
ゼオライトを鋳型として合成した3次元規則性カーボンネットワーク構造体は、比表面積が4000m^2/g、径が2nm以下のミクロ孔の容積が1.8cm^3/gにもなり、世界最大の表面積とミクロ孔容積をもつカーボン材料である。キャパシタ容量は一般に表面積に比例して増加する。このカーボンもその表面積から期待されるように世界最大級の容量(有機系電解液で180F/g)を示した。しかし、通常の活性炭に比べると表面積あたりの容量は小さいことがわかった。またこの原因は電極作製時の混練操作により表面積が低下することが原因であることを突き止めた。そこで、今後はカーボンの骨格密度を大きくし3次元ネットワーク構造の強度を増加させるなどの方法により表面積あたりの容量を通常の活性炭並みまで引き上げ、有機系電解液で200F/9以上の容量を目指す。また、B、Nなどの異元素をカーボン骨格の中に導入することで、容量のさらなる増大を目指す。
2)3次元規則性カーボンネットワーク構造によるレート特性向上効果が確認された
キャパシタの電極材料として一般的である活性炭の場合、充放電速度を大きくするとキャパシタ容量が低下する。これは、細孔内部でのイオンの拡散抵抗が大きいことが主な原因である。一方、ゼオライトを鋳型として合成した3次元規則性カーボンネットワーク構造体は整然と配列した規則性細孔を有するため材料内部における物質の移動が容易である。このカーボンでは、充放電速度を大きくしても容量が低下しないことが示された。