2019 Fiscal Year Annual Research Report
Preparation of physical solid-state capacitors using nano-scale unevenness surface structure and their applications to environment-conscious energy systems
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19H04308
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
橋田 俊之 東北大学, 工学研究科, 教授 (40180814)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福原 幹夫 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 学術研究員 (30400401)
佐藤 一永 東北大学, 工学研究科, 准教授 (50422077)
今野 一弥 仙台高等専門学校, 総合工学科, 教授 (80270198)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 蓄電体 / アモロファス / 凹凸構造 / 環境調和エネルギー / 陽極酸化 / ナノバブル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)アモルファスリボンの作製とナノ凹凸表面構造の形成
幅10mmで長さ50mmの寸法のリボンが作製できた。炭酸ガスのナノバブル水を添加した硫酸水溶液を用いて、陽極酸化における溶媒濃度，温度，電圧が表面凹凸寸法・形状ならびに蓄電性能に及ぼす影響について系統的な調査を行った。その結果、0.4 mol濃度で5℃の希硫酸中、電圧16Vでの陽極酸化による蓄電能が最高となった。当初、陽極酸化はリボン試料を水溶液中に浸漬するため、両面が黒色のナノ凹凸面となっていたが、今回広幅化により冷却能が低下してロール接触側が結晶化し、Heガス接触の自由面のみがアモルファスであった。陽極酸化後の結晶面はアルミ結晶酸化物となり、アモルファス合金面は黒色アモルファスアルミナ酸化物であることを明らかにした。この組織は従来の両面アモルファス酸化物に比較して、蓄電量が平均２－７倍大きくなった。これは結晶化面の電気抵抗造材によるリーク防止と、回路が並列から直列になったことによって電気容量が２倍になったことによる。その結果、試作したリボン蓄電体の特性に関して，パワー密度が115.4 W/kg, エネルギー密度は47.00 Wh/kg の性能が得られた。
研究(2)リボンのナノ形状・構造解析と物理的蓄電のメカニスズム解明
核磁気共鳴分析で蓄電機構はAlO6クラスターの形成にあることが判明した。大気中非接触AFMにより正電荷から負電荷の推移により試料表面は負電荷充電へのスイッチング作用を確認した。凹凸径は平均35 nmから21 nmまで減少した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
通常、Al陽極の酸化では結晶の白色アルミナが生じる。しかしながら，本系の陽極酸化では黒色のアモルファスアルミナが生じ、この黒色アモルファスアルミナのみにおいて蓄電性が発現した。出発原料に結晶Alや安定なAl-Y-Feアモルファス合金の陽極酸化では白色結晶アルミナ表面となり、蓄電性は現れない。すなわち希硫酸溶液中へのAl-Y合金の急激な溶解とその後の緩慢な酸化物形成及び析出がAlO6クラスターを形成する理由である。従来のAlO4やAlO5のクラスターでは蓄電効果が生じない。この緩慢な酸化には純水よりも炭酸ガスナノバブル水が良いことを見出している。また，安定化して良好なAlO6クラスターが得られる手法を開拓している。
空気中、非接触のAFM解析では、カンチレバーの先端が+1V から30秒かけて-100 Vまで変化したとき，試料は+8.5 Vから-11.2 Vまで連続的に変化した。これは電極が正の時は凸面から電子が電極に飛来し、反対に負の時は、電極から電子が凸面に放射すると考えられる。これは空中における電子のスイッチング現象である。電気的中性を保持し、大量の電荷を保持している「地球コンデンサー」からの大気電流(1,000V, ～1A)蓄電は原則的には可能であることを本研究は示唆しており予想外の知見を提供できている。
陽極酸化条件として、温度の最適化を行なっている。水温が2℃においては部分的な氷の形成による水温不安定化が起き、反対に２０℃では表面凹凸径が113 nmまで増大して蓄電性はほとんど生じなかった。水温5℃が最適であることを見出している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度の研究において、物理的蓄電性をアルミナ表面に付与するためには、ナノメータ―サイズの凹凸面を有する黒色のアモルファスのアルミナを作る必要があった。本研究で、凸径は平均で35 nmから21 nmまで減少することができたものの、凹径の大きさ、凸径／凸径比、凸頂点から凹底点までの深さが蓄電性にどのように影響するかのトポロジー的評価をする必要がある。さらに、上記AlO6クラスターの測定には高性能のマジック角スピング核磁気共鳴分析(MASNMR)を使わねばならないが、リボン中心部のＡl基Al-Y母合金が常磁性を持っているため測定できなく、加えて粉状にしなくては直径5 mmの円筒に挿入できない。そのため、この陽極酸化リボン材を粉砕後、Ａl-Y基母合金部分を塩酸溶解してその溶解液をろ過しなくてはならない。これは大変に煩雑なプロセスであり、溶解法では最表面のALO6相の解析ができないことが最大の欠点である。そのために簡易で非破壊のAlO6定量法が求められる。次年度はこの分析法を検討する予定である。AlO6クラスタ－が何故、強力な蓄電性を誘起するのか今までの研究対象であったアモルファスチタニアやアモルファスポリマーの仕事関数を計測するか計算し、比較する必要がある。
この蓄電体の製造には無限数の凸径点を一枚の金属板で接続させ分布定数回路を作らねばならない。そのためには，金箔被覆法や金蒸着法が考えられる。この工程の目途がついた後、薄膜強度や積層体強度の評価を行う予定である。
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