Creation of pseudocapacitive material complexed with graphene oxide for supercapacitor

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18F18369
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: 官 国清 弘前大学, 地域戦略研究所, 教授 (90573618)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): PATIL AMAR MARUTI 弘前大学, 地域戦略研究所, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2018-11-09 – 2021-03-31
• Keywords: スーパーキャパシタ / 擬似容量性電極材料 / 金属酸化物電極 / 金属硫化物電極 / エネルギー密度 / パワー密度 / サイクル安定性 / 非対称スーパーキャパシタ装置

Outline of Annual Research Achievements

スーパーキャパシタ用擬似容量性電極材料のエネルギー密度及び長期サイクル安定性の改善に向けて、異なる種類の疑似容量性金属酸化物電極及び金属硫化物電極を中心に研究してきた。 電極材料のサイクル安定性を改善するためには、炭素系材料の一つ還元酸化グラフェン（rGO）を使用してハイブリッド電極を製造することによって実現した。
（１）正極材料の開発：水熱合成方法を用い、rGO/NiCo2O4をニッケルフォーム（NF）に被覆した後、電着方法を使用して、MnO2をrGO/NiCo2O4上にコーティングした。得られた正極材料の比容量は1922Fg-1、エネルギー密度は96Whkg-1,パワー密度は1.2Kwkg-1に達した。また、10000サイクル試験で89.27％の安定性を維持した。
（２）負極材料の開発：水熱合成方法を用い、rGO, Bi2O3 とCu2S材料を層ごとにNFに堆積した。 ここで、疑似容量性金属酸化物（Bi2O3）の欠点は、金属硫化物（Cu2S）層コーティングによって克服された。特に、Cu2S層コーティングによって負極材料の導電率は大幅に改善した。得られたrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料は６Ｍ ＫＯＨ電解質中の性能は、1079Fg-1の比容量, 68.3Whkg-1のエネルギー密度, 3.3 KWkg-1 のパワー密度及び85.4%のサイクル安定性をとして観察された。 また、KOH電解液中にK3Fe(CN)6メディエータを添加した後、この電極は1617 Fg-1の比容量, 91 Whkg-1のエネルギー密度, 3.8 KWkg-1 のパワー密度及び87%のサイクル安定性に改善した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度の研究期間は3か月半しかなかった。短時間に予定の通り、rGO/NiCo2O4＠MnO2というスーパーキャパシタの正極材料及びrGO/Bi2O3@Cu2Sという負極材料を開発した。それらの材料の電気特性は予想より高かった。また、水性電解液の成分は電極材料のパフォーマンスへの影響も明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

これから、新しい擬似容量性電極材料の開発、非対称スーパーキャパシタ装置の組み立て、及び固体電解質の開発と最適化などを行う。これまで、非対称スーパーキャパシタ装置に対して、rGO/NiCo2O4@MnO2正極材料およびrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料を開発されていたが、水性電解質を使ったためエネルギー密度およびパワー密度には限界がある。また、金属酸化物系スーパーキャパシタのエネルギー密度およびパワー密度の改善余地がまだあるため、電極材料成分の最適化及び新規擬似容量性電極材料の開発を行う。同様に、非対称スーパーキャパシタ装置の動作可能範囲を広げるための努力が必要である。特に非水性電解質の開発及び応用が必要である。今後、まず、開発されたrGO/NiCo2O4@MnO2正極材料およびrGO/Bi2O3@Cu2S負極材料をそれぞれ使用して非対称固体電解質スーパーキャパシタ組立を中心に行う。固体電解質として、ポリマーゲル電解質、特に、ＰＶＡ系ポリマーマトリックスおよびそれぞれの塩を用いて調製する。