| 研究課題/領域番号 |
23K22731
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01460 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21010:電力工学関連
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| 研究機関 | 秋田大学 |
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研究代表者 |
熊谷 誠治 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (00363739)
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| 研究分担者 |
田島 大輔 福岡工業大学, 工学部, 教授 (10531452)
安部 勇輔 秋田大学, 理工学研究科, 助教 (60908953)
富岡 雅弘 秋田大学, 理工学研究科, 助教 (00838683)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2024年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円)
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| キーワード | 電気二重層 / 蓄電 / 多孔質炭素 / イオン液体 / エネルギー密度 / 多孔質炭素， |
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| 研究開始時の研究の概要 |
溶媒が存在せずイオンのみで構成されるイオン液体を電解液に，比表面積が3000m2/gを超える多孔質炭素を電極材料に採用した電気二重層キャパシタセルを組み立てる。印加セル電圧を3.8V以上，動作温度を室温以上にすることで，実製品のエネルギー密度の10倍である100Wh/kgを超える電気二重層を形成させる。そして，超高エネルギー密度の電気二重層の形成および解放挙動，その電気化学的特性，さらにそれらに影響を及ぼす諸因子（細孔構造やイオン液体種）の解明を行う。インピーダンス分析と等価回路シミュレーションを組み合わせて，電気二重層を内層，拡散層，バルク層毎に分離して，それぞれの挙動および特性解析を行う。
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| 研究実績の概要 |
比表面積と細孔構造の異なる活性炭を複数種準備した。活性炭粉末にポリテトラフルオロエチレン等の耐熱バインダと炭素系導電助剤を添加し，均一厚のシートを得た。円形に打ち抜いたものを正負極とし，電解液にイオン液体を用いた電気二重層キャパシタセルを組み立てた。
高い導電率が期待できるイミダゾリウム系のイオン液体など，有望なイオン液体の複数種使用した。異なる動作温度において，定電流充放電により電気二重層キャパシタセル内活性炭の単位質量当たりの静電容量（比静電容量）とエネルギー密度を測定した。また，セル電圧最高値を2.5Vから段階的に4.0Vまで増加させ，各試験条件と得られるエネルギー密度の関係を調査した。
その結果，比表面積が3000m2/gを超える活性炭とイミダゾリウム系イオン液体を用いた電気二重層キャパシタセルを3.8V程度までに充電することで，100Wh/kgを超えるエネルギー密度を有する電気二重層を形成できることが分かった。また，最大130Wh/kg のエネルギー密度も実現できることが分かった。一方，動作温度を増加させることで，高電流密度の充放電時でのエネルギー密度を維持するには効果的であったが，エネルギー密度自体は単純に増加しなかった。
以上のように，活性炭種，イオン液体種，動作温度，セル電圧範囲など試験条件の最適化により，100Wh/kgを超えるエネルギー密度を有する電気二重層を形成できる条件を明確にした。条件をさらに最適化することで130Wh/kgを超えるエネルギー密度を実現できる可能性もある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
動作温度やセル電圧範囲など電気二重層キャパシタの動作条件を適切に設定し，100Wh/kgを超えるエネルギー密度を有する電気二重層を形成できる条件を明確にすることができた。また，セル電圧を4.0V近くまで上昇させることで，最大130Wh/kg のエネルギー密度も実現できることが分かった。それゆえ，研究計画通り，おおむね順調に進行していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
当初計画通りに研究を進行する。具体的には，100Wh/kg以上のエネルギー密度を実現できる条件で，電気二重層キャパシタの充放電特性およびインピーダンス特性の解析を行う。そして，超高エネルギー密度蓄電状態の電気二重層の形成および解放機構の解明を行う。具体的には，内部抵抗の発生起源とその抵抗値など，これまで未知であった特性値を提示する。本研究グループが独自に開発した手法により，電気二重層の内層および拡散層の容量および抵抗，拡散層とバルク層の界面抵抗などの要素特定解析を行う。内層，拡散層，バルク層毎に分離されたインピーダンス特性を取得し，さらに，充放電特性とイオン液体の基礎物性と突き合わせ，超高エネルギー密度の電気二重層の形成と解放の機構を解明する。
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