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2011 Fiscal Year Research-status Report

生体材料を活用した蓄電デバイスの開発

Research Project

Project/Area Number 23655182
Research InstitutionKansai University

Principal Investigator

石川 正司  関西大学, 化学生命工学部, 教授 (30212856)

Project Period (FY) 2011-04-28 – 2014-03-31
Keywordsコンデンサー / 電気二重層 / キャパシタ / イオン液体 / ゲル電解質 / 生体高分子 / アルギン酸 / キトサン
Research Abstract

生体材料としてDNAをカーボンナノチューブに複合化させ、これを電気二重層キャパシタ(EDLC)電極に適用する検討を行った。カーボンナノチューブを酸化することで官能基を付与し、これをアンカーにDNAと複合化させた。その結果、イオン移動を伴う交流周波数領域において、抵抗が顕著に低下することが明らかになった。一方、我々はキャパシタへの新規な生体材料の活用についても探索を開始した。すなわち、生体高分子材料であるアルギン酸あるいはキトサンをホストポリマーとし、イオン液体を含浸させた生体材料由来の新規ゲル電解質を開発し、EDLCへ適用した。その結果、ゲル化によるEDLC性能の低下を防ぎ、さらに電極との親和性を改善させることで、液相のイオン液体電解質を超える充放電特性を実現する可能性を得た。特に本年度では、実用セルについても想定し、バインダーや導電助剤を含む活性炭シート電極とゲル電解質から成る評価セルを構築し、その充放電特性や環境温度試験などを含めた種々の評価を行った。重要な成果として、イオン液体を含むアルギン酸ゲル電解質を用いたEDLCでは、電流密度が増大するにつれて、一般的な溶液のEDLCに比べ出力特性が明確に向上する結果が得られた。この現象は温度に寄らず確認でき、さらに交流インピーダンス測定の結果から、電極/電解質界面のイオン移動抵抗特性が改善されたことが要因であることが立証された。この成果に基づき、高安全性リチウムイオン二次電池を目指した新規な天然高分子ベースのゲル電解質も開発した。一般的にゲル電解質の利用により、電池の出力特性の低下が懸念されるが、本研究にて開発したゲル電解質を用いると、ほぼ液体系と同等の特性が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究計画を拡張した新規な試みとして実施した、天然高分子とイオン液体で界面抵抗を低減させ、高出力を得るアイデアは、キャパシタに留まらずリチウムイオン電池にも適用できることが判った。さらに、申請時に本研究が非ファラデー型のキャパシタのみを想定していたが、このように蓄電池にも適用できるというより広い一般性が見出されたため、明らかに区分(1)として評価できる。

Strategy for Future Research Activity

研究概要と達成度で示したように、本研究における23年度の検討で、新規なアイデアである生体材料を利用した新規高出力ゲル電解質への展開の試みが成功したため、これを中心に今後の研究の展開を図る計画である。アルギン酸やキトサン、場合によってはセルロース系の生体材料ゲルマトリックス材料の構造最適化と、イオン液体の複合化条件の検討、さらには、生体高分子とイオン液体ではない通常の塩との複合化も試み、電解質としての生体材料の適用メリットをさらに究明したい。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

前述の研究計画に沿い、生体高分子材料とイオン液体、電解質の購入、そしてキャパシタならびにリチウム二次電池の電極材料の購入を行う。また、充放電評価のための試験セル、集電箔などの金属材料も購入する。このように、主に本研究の開発材料を適用するキャパシタならびに電池の構成材料を購入する計画である。

  • Research Products

    (31 results)

All 2012 2011 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (24 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results)

  • [Journal Article] Polysaccharide-based Gel Electrolytes Containing Hydrophobic Ionic Liquids for Electric Double-layer Capacitors2012

    • Author(s)
      M. Yamagata, K. Soeda, S. Ikebe, S. Yamazaki, M. Ishikawa
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 41(22) Pages: 25-34

    • DOI

      10.1149/1.3693061

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Alginate Gel Containing an Ionic Liquid and Its Application to Non-aqueous Electric Double Layer Capacitors2011

    • Author(s)
      M. Yamagata, K. Soeda, S. Yamazaki, M. Ishikawa
    • Journal Title

      Electrochemical and Solid-state Letters

      Volume: 14(11) Pages: A165-A169

    • DOI

      10.1149/2.020111esl

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] リチウムイオン二次電池用負極に対するアルギン酸バインダーの適用とその電気化学的挙動2012

    • Author(s)
      古賀 景子
    • Organizer
      電気化学会第79回大会
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松, 静岡県浜松市
    • Year and Date
      2012.03.29
  • [Presentation] アルギン酸バインダーを用いた高出力EDLCの開発2012

    • Author(s)
      山縣 雅紀
    • Organizer
      電気化学会第79回大会
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松, 静岡県浜松市
    • Year and Date
      2012.03.29
  • [Presentation] バクテリアセルロースゲル電解質を用いたEDLC特性評価2012

    • Author(s)
      池邉 翔太
    • Organizer
      電気化学会第79回大会
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松, 静岡県浜松市
    • Year and Date
      2012.03.29
  • [Presentation] 天然高分子由来ゲル電解質による電極界面の抵抗減少効果2012

    • Author(s)
      笠井 祐貴
    • Organizer
      電気化学会第79回大会
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松, 静岡県浜松市
    • Year and Date
      2012.03.29
  • [Presentation] 電気二重層コンデンサの開発動向2012

    • Author(s)
      石川 正司
    • Organizer
      電気四学会関西支部専門講習会(招待講演)
    • Place of Presentation
      中央電気倶楽部 513号室, 大阪市
    • Year and Date
      2012.02.09
  • [Presentation] 電池およびキャパシタを高性能化する材料技術2012

    • Author(s)
      山縣 雅紀
    • Organizer
      第16回関西大学先端科学技術シンポジウム
    • Place of Presentation
      関西大学100周年記念会館, 大阪府吹田市
    • Year and Date
      2012.01.24
  • [Presentation] リチウムイオン二次電池を高性能化する材料技術2012

    • Author(s)
      山縣 雅紀
    • Organizer
      第16回関西大学先端科学技術シンポジウム
    • Place of Presentation
      関西大学100周年記念会館, 大阪府吹田市
    • Year and Date
      2012.01.23
  • [Presentation] 電気化学キャパシタを高性能化する材料技術2012

    • Author(s)
      山縣 雅紀
    • Organizer
      第16回関西大学先端科学技術シンポジウム
    • Place of Presentation
      関西大学100周年記念会館, 大阪府吹田市
    • Year and Date
      2012.01.23
  • [Presentation] イオン液体含有キトサンゲル電解質のリチウムイオン電池への適用2011

    • Author(s)
      竹野 一基
    • Organizer
      電気化学会関西支部平成23年度第3回関西電気化学研究会
    • Place of Presentation
      関西大学第4学舎3号館, 大阪府吹田市
    • Year and Date
      2011.12.10
  • [Presentation] 生体関連材料由来のゲル電解質を用いた電気二重層キャパシタの電気化学的性質2011

    • Author(s)
      笠井 祐貴
    • Organizer
      電気化学会関西支部平成23年度第3回関西電気化学研究会
    • Place of Presentation
      関西大学第4学舎3号館, 大阪府吹田市
    • Year and Date
      2011.12.10
  • [Presentation] リチウム電池とキャパシタ、特徴と今後の技術2011

    • Author(s)
      石川 正司
    • Organizer
      関西大学技術交流セミナー2011(第5回東京セミナー)蓄電材料研究セミナー(招待講演)
    • Place of Presentation
      関西大学東京センター, 東京都
    • Year and Date
      2011.11.24
  • [Presentation] イオン液体を含有する天然高分子ゲル電解質のリチウムイオン電池特性2011

    • Author(s)
      竹野 一基
    • Organizer
      第52回電池討論会
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀, 東京都
    • Year and Date
      2011.10.19
  • [Presentation] イオン液体中の各種カチオン・アニオンが炭素電極の電気二重層構造に及ぼす効果2011

    • Author(s)
      西下 慧
    • Organizer
      第52回電池討論会
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀, 東京都
    • Year and Date
      2011.10.19
  • [Presentation] Electrochemical Capacitors Based on Novel Designs of Electrode-electrolyte Interface2011

    • Author(s)
      M. Ishikawa
    • Organizer
      220th ECS Meeting and Electrochemical Energy Summit(招待講演)
    • Place of Presentation
      Westin Boston Waterfront and the Boston Convention and Exhibition Center, Boston, Massachusetts, U.S.A
    • Year and Date
      2011.10.13
  • [Presentation] Polysaccharide-based Gel Electrolytes Containing Hydrophobic Ionic Liquids for Electric Double-layer Capacitors2011

    • Author(s)
      M. Yamagata
    • Organizer
      220th ECS Meeting and Electrochemical Energy Summit(招待講演)
    • Place of Presentation
      Westin Boston Waterfront and the Boston Convention and Exhibition Center, Boston, Massachusetts, U.S.A
    • Year and Date
      2011.10.11
  • [Presentation] 蓄電デバイスの電極界面における特異的な現象2011

    • Author(s)
      石川 正司
    • Organizer
      2011年度電気化学会関西支部鳥取地区講演会(招待講演)
    • Place of Presentation
      鳥取大学工学部大講義室, 鳥取市
    • Year and Date
      2011.09.22
  • [Presentation] Novel Designs of Supercapacitor Focusing on Electrode/electrolyte Interface2011

    • Author(s)
      M. Ishikawa
    • Organizer
      12th International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2011)(招待講演)
    • Place of Presentation
      TWTC Nangang Exhibition Hall, Taipei, Taiwan
    • Year and Date
      2011.09.20
  • [Presentation] High-performance Polysaccharide-based Gel Electrolyte for Energy Storage Devices2011

    • Author(s)
      M. Yamagata
    • Organizer
      Renewable Energy & Materials Tailoring 2011 (REMT2011)
    • Place of Presentation
      Yoshida Campus, Kyoto University, Kyoto City, Japan
    • Year and Date
      2011.09.19
  • [Presentation] High-performance Electrochemical Capacitors with Specific Interfacial Designs2011

    • Author(s)
      M. Ishikawa
    • Organizer
      62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry(招待講演)
    • Place of Presentation
      Toki Messe (Niigata Convention Center), Niigata City, Japan
    • Year and Date
      2011.09.15
  • [Presentation] 天然高分子由来のゲル電解質を用いた電気二重層キャパシタの特性評価2011

    • Author(s)
      笠井 祐貴
    • Organizer
      2011年電気化学秋季大会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟コンベンションセンター), ホテル日航新潟, 新潟市
    • Year and Date
      2011.09.10
  • [Presentation] イオン液体を含有するキトサンゲル電解質を用いた非水系電気化学キャパシタの開発2011

    • Author(s)
      山崎 穣輝
    • Organizer
      第25回キチン・キトサンシンポジウム
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂, 奈良市
    • Year and Date
      2011.08.31
  • [Presentation] イオン液体を含有するキトサンゲル電解質のリチウムイオン電池への適用2011

    • Author(s)
      竹野 一基
    • Organizer
      第25回キチン・キトサンシンポジウム
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂, 奈良市
    • Year and Date
      2011.08.30~31
  • [Presentation] Novel Designs of Electrode-electrolyte Interface for Supercapacitors2011

    • Author(s)
      M. Ishikawa
    • Organizer
      2nd International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors (ISEE’Cap 2011)(招待講演)
    • Place of Presentation
      Poznan University of Technology, Poznan, Poland
    • Year and Date
      2011.06.14
  • [Presentation] リチウムイオンキャパシタおよび関連する高エネルギー蓄電技術2011

    • Author(s)
      石川 正司
    • Organizer
      日本鉱業協会新材料部会講演会(招待講演)
    • Place of Presentation
      日本鉱業協会, 東京都
    • Year and Date
      2011.05.27
  • [Remarks]

    • URL

      http://gakujo.kansai-u.ac.jp/profile/ja/da93ad8rb8c00fa7HW7f16kobc.html#18

  • [Remarks] (関西大学学術情報データベース)

  • [Patent(Industrial Property Rights)] バインダ、電極、電気化学キャパシタおよびリチウムイオン二次電池2012

    • Inventor(s)
      山縣 雅紀
    • Industrial Property Rights Holder
      関西大学
    • Industrial Property Number
      特許: 特願2012-020283
    • Filing Date
      2012年02月01日
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 電気化学キャパシタ用電解質、電気化学キャパシタおよび電気機器2012

    • Inventor(s)
      山縣 雅紀
    • Industrial Property Rights Holder
      関西大学
    • Industrial Property Number
      特許: 特願2012-068363
    • Filing Date
      2012年03月23日
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 非水系ゲル電解質およびその製造方法、並びにその利用2011

    • Inventor(s)
      山縣 雅紀
    • Industrial Property Rights Holder
      関西大学
    • Industrial Property Number
      特許: 特願2011-195478
    • Filing Date
      2011年09月07日

URL: 

Published: 2013-07-10  

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