2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of high-performance, safe and low-cost solid energy-storage capacitors
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20K20439
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鶴見 敬章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (70188647)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
保科 拓也 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80509399)
安原 颯 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (20880032)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | キャパシタ / 蓄電素子 / エネルギー密度 / 固体電解質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素排出量を抑制し地球温暖化をストップするには、エネルギー密度の高い蓄電装置がキーテクノロジーとなる。現在ある蓄電装置で最もエネルギー密度
が高いのはリチウムイオン電池であるが、本研究では安全性が高く繰り返し充放電で劣化しないキャパシタを用いて新しい蓄電装置を作ることを目的としている。本キャパシタはリチウムイオンの長距離移動により分極を発生する。本キャパシタがリチウム電池と匹敵するエネルギー密度を得るためには、高電圧駆動が必須である。しかしながら、リチウムの酸化還元電位である約４Ｖ以上の電圧を印可すると固体のリチウムイオン伝導体が高電圧化で電気分解することが問題となる。
昨年度は、固体電解質の電気分解を抑制するファラデー電流バリアという概念を提案した。今年度はさらなる高電圧化を実現する方法について検討した。最も単純な方法はファラデー電流バリアの積層化であるが、積層化は製造プロセスが高コストとなりすぎ実用化には適さない。そこで積層構造と同じ効果を桁違いの低コストで実現する方法を考案した。この方法では特殊なマイクロ・ナノ構造を電解質内に形成することにより、汎用セラミックスプロセスで充放電の高電圧化が可能となる。まず、電磁界シミュレーションを用いて計算上ではこの方法が有効であることを明らかにした。次に、実際の試料についてであるが、新たにリチウムイオン伝導体として低温合成可能なアンチペロブスカイト化合物を採用し、これとシリコン、ニッケルなど導電体を組み合わせて特殊なマイクロ・ナノ構造を作製した。このキャパシタの特性を測定したところ、確かに高電圧化ができてはいたが、その程度は理論予測値よりも著しく低いものであった。この原因は、マイクロ・ナノ構造の精度が不十分なためであることを見出した。
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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
本キャパシタが意味のあるデバイスになるためには高電圧駆動が必須である。キャパシタのエネルギー密度は電圧の２乗に比例するので、現在の液体系電解質（スーパーキャパシタ）の電圧5Vを100Ｖにできれば、理論的にはエネルギー密度は400倍向上する。しかし、単に液体電解質を固体電解質に変えただけではリチウムの系外への析出は避けられず高電圧動は不可能である。昨年度の研究で、ファラデー電流バリアという概念で高電圧化が可能なことを見出した。さらなる高電圧化へは、固体電解質と導電体との複合構造をマイクロ・ナノレベルで形成すれば良いことを見出したが、実際に作るのは非常に難しく多くの試料で試行錯誤を行った。その結果、有効な材料の組み合わせとプロセスがほぼ明らかとなった。これを用いてキャパシタを作製することが今後の課題であり、実現可能性は十分あると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の成否はキャパシタの高電圧駆動か可能になるかどうかにかかっている。次年度は固体電解質と導電体の複合構造をマイクロ・ナノレベルで形成することで、高電圧駆動が可能な蓄電キャパシタの実現性について検討する。電磁界シミュレーションでは既に有効性が確認されているので、実際に試料を作製する。使用する固体電解質は、アンチペロブスカイト型リチウム伝導体、リチウム伝導ガラス、および、最近のリチウム原料の高騰を考えナトリウムイオン伝導体も用いる。また、導電体にはニッケル、シリコンおよびその化合物を用いる。両者の複合構造を形成するプロセスを開発し、得られたキャパシタの充放電特性の評価を行う。また。有限要素法を用いた電磁界シミュレーションの精度を高める努力も行う。
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