燃料電池用アニオン導電性高分子電解質膜を用いた革新的電気化学キャパシタの創製

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K05596
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 野原 愼士 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40326278)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮武 健治 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (50277761)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 電気化学キャパシタ / アニオン導電性高分子電解質膜 / 電気二重層キャパシタ / 活性炭電極 / 酸化マンガン系電極

Outline of Annual Research Achievements

前年度までに燃料電池用アニオン導電性高分子（QPAF-4）膜を用いた電気二重層キャパシタ（EDLC）セルの最適構造を検討し、膜厚20μmのQPAF-4膜を用いて活性炭電極／電解質界面を最適化することにより、従来の水溶液系（膜厚120μmの不織布セパレータを使用）に比べ、よりレート特性に優れ、かつサイクル特性および自己放電特性が同等である総合的に優れた固体高分子型EDLCの構築に成功した。
最終年度は、これらの知見を基にQPAF-4膜を2.5V級酸化マンガン系非対称キャパシタに応用し、その実現可能性を検討した。最初に、Mn-Ni-O固溶体酸化物正極が適切に作動するQPAF-4電解質膜を作製することを目的として、膜に含侵させる水溶液について検討した。従来QPAF-4電解質膜の作製に使用してきたアルカリ性のKOH水溶液、LiOH水溶液、さらに種々の中性電解液を用いてMn-Ni-O正極の電気化学挙動を調べた結果、この正極はLiCl水溶液中で最も広い電位窓でかつ大きな容量を示すことがわかった。次に、LiCl水溶液を含侵したQPAF-4電解質膜を新たに作製し、これをMn-Ni-O正極および活性炭負極から成る2.5V級非対称キャパシタに適用した。その結果、LiCl水溶液のみ（不織布セパレータに含侵）を電解質に用いたセルと比べて、同等の容量と最大作動電圧（2.5V）を有する非対称キャパシタの構築に成功した。さらに、QPAF-4電解質膜を用いたセルの方がレート特性に優れることも新たに見出した。これは、不織布セパレータを使用しないために電極/電解質界面での抵抗が低減したことが一因と考えられる。
全研究実施期間を通じた結果から、燃料電池用QPAF-4膜がEDLCおよび2.5V級酸化マンガン系非対称キャパシタに適用可能であることが強く示唆される。