2020 Fiscal Year Annual Research Report
単層グラフェン多孔質電極を用いた高容量・高電圧型電気二重層キャパシタの開発
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19H00913
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
京谷 隆 東北大学, 工学研究科, 特任教授 (90153238)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西原 洋知 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (80400430)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | グラフェン / エッジサイト / キャパシタ / 劣化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エッジサイトのない単層グラフェンから構成される新規メソ多孔性カーボン「グラフェンメソスポンジ」は、一般的な有機電解液を用いた対称キャパシタを組んだ場合、室温では4.4 Vまでの非常に高い耐電圧を示すことがわかっている。しかし、単位表面積当たりの容量(面積比容量, F/cm2)が従来の活性炭に比べて低い欠点がある。そこで、カーボン骨格構造と面積比容量との関係を詳細に検討した。その結果、1枚の欠陥が無いグラフェンシートの場合は最も面積比容量が小さく、エッジサイトの導入や積層数が増加すると、面積比容量が増加することがわかった。しかし、エッジサイトを導入すると耐電圧が低下してしまう問題が生じ、積層数を増加させると重量比容量(F/g)が低下する問題が生じる。そこで、グラフェンメソスポンジの利点である耐電圧を低下させずに面積比容量を大きくする方法として、骨格内部への窒素ドープを行ったところ、有意な面積比容量の増加を確認することができた。
また、キャパシタ用カーボン材料の設計において、細孔径分布の正確な解析法の開発は重要であるため、この点にも取り組んだ。米国Jagiello博士と連携し、単層グラフェン多孔体の細孔径分布を従来よりも正確に算出可能なNLDFT法を用いた細孔径分布の解析手法の開発を行った。
グラフェンメソスポンジに各種ナノ粒子等を複合化させてキャパシタ容量を更に増加させる可能性に関しても検討を開始した。グラフェンメソスポンジの特性を損なわずに複合化を行う新しい手法として、ピレンの物理吸着を利用する方法を検討し、モデル系としてPdナノ粒子を高分散担持することに成功した。
グラフェンメソスポンジの大量生産に向けた検討についても進捗しており、アルカリ土類金属酸化物を鋳型とする低コストな製造法について、技術がほぼ完成した。
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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
2020年度の検討により、カーボンのエッジサイトの量、グラフェンの積層数と面積比容量の関係に関するデータが取得できた。また、グラフェンメソスポンジの特性を損なわずに面積比容量を増加させる方法として、骨格内部への窒素ドープが有効であることも見出した。単層グラフェン多孔体の正確な細孔構造解析法についても新しいNLDFTモデルの構築ができた。さらに、グラフェンメソスポンジへのナノ粒子担持方法として、ピレンを経由する新しい手法を開発できた。グラフェンメソスポンジの産業利用も見据え、大量合成可能な新たな合成ルートの開拓も大きく進捗した。従来はアルミナ表面へ高温でメタンを接触させてグラフェンを成長させていたが、アルミナはフッ化水素酸で溶解除去する必要があり、これが大量生産のボトルネックとなっていた。そこで、塩酸で容易に溶解するアルカリ土類金属酸化物を鋳型とする新しい合成ルートの開拓を行った。アルカリ土類金属酸化物の活性はアルミナとは大きく異なっていたが、化学気相蒸着の最適条件の検討を行った結果、アルカリ土類金属酸化物を鋳型としても高品質なグラフェンメソスポンジが合成可能であることを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は単層グラフェン多孔体への窒素ドープ手法の更なる最適化を進め、高容量と高耐久性が最大となる材料合成手法を確立する。さらに、最適化した合成条件において、シームレスな多孔体電極を作製し、4.4Vの電圧で充放電可能であり、面積比容量が従来より大幅に増加した高エネルギー密度のキャパシタを構築する。電解液に関しても、従来の有機電解液に加えてより高電圧が期待できるイオン液体の検討を行う。アルカリ土類金属を鋳型にしたグラフェンメソスポンジの大量合成法については、複数種類のアルカリ土類金属酸化物に関し、活性の違いや合成されるグラフェンメソスポンジの品質の違いを検討し、工業的な大量生産に繋げる。
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