| 研究課題/領域番号 |
16H02394
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
鶴見 敬章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (70188647)
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| 研究分担者 |
武田 博明 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (00324971)
保科 拓也 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80509399)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | キャパシタ / 蓄電 / イオン伝導体 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、固体イオン伝導体の長距離イオン移動を分極の発生に利用した新しい固体イオンキャパシタを作製し、蓄電デバイスとしての可能性を明らかにすることを目的としている。 研究期間も半ばを過ぎたところで、これまで多くの試行錯誤を繰り返してきたが、本年度の研究で最終年度に向けた研究方針が決まった。
本キャパシタの意味を考えればそのエネルギー密度はリチウムイオン電池を凌駕したものでなければならない。キャパシタでの可能性についてシミュレーションした結果、本研究の対象である高電圧固体スーパーキャパシタがいくつかの候補の中で唯一の方法であることが確かめられた。通常のスーパーキャパシタの充電電圧は５Ｖ程度であるがそれを１００Ｖ程度高めれば、理論的にはエネルギー密度は４００倍向上する。本年度は高電圧化を実現するための検討を行った。まず、リチウムガラス中にわずかでも水が存在すると電気分解が起こって可逆的な充放電が起こらないことが分かった。そこで現状の設備で可能な限り水を排除して充放電実験を行った。これにより１０Ｖ程度までは可逆的な充放電が観測されたが、電圧増加とともに効率は著しく低下した。この原因はリチウムの酸化還元平衡電位である約３Ｖ以上では、徐々にリチウムは電極上に析出するためであった。これは本キャパシタの実現において高電圧化はできないという本質的な問題であるため、新しいアイデアによる解決策が求められた。この解決法として電極界面に保護層を挿入するアイデアが出された。キャパシタ製造プロセスとしては、カーボン被覆アルミ箔を電極とすること、および、水を完全に排除するという観点でドライプロセスにより低温焼結法が提案された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
蓄電キャパシタの実現には蓄積される電気エネルギーの密度を向上することが必須である。キャパシタに蓄えられるエネルギーは充電電圧の２乗に比例するので、充電電圧の増加がエネルギー密度の増加には最も有効である。本研究の対象である固体を電解質としたキャパシタで高電圧化を図ったが、リチウムの酸化還元平衡電位よりも高電圧をかけるとリチウムが系外に徐々に析出して充放電を繰り返せないことがわかった。この本質的な問題を解決するため、電極界面にリチウムイオンの拡散係数を遅くするが分極ベクトルの連続性を維持すると保護層を挿入するというアイデアを出した。このアイデアを実現し、積層キャパシタにまで持っていくための開発チームを研究室内に組織した。最終年度は目標を定め効率的に研究をすすめる。
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| 今後の研究の推進方策 |
高電圧化でリチウムを系外に出さないためには、電極界面にリチウムイオンを到達させず、拡散係数の遅い保護層を挿入してリチウムをイオンのままガラス中にとどめる必要がある。この保護層により分極が低下するのを防ぐため、この保護層には半導性を付与する必要がある。キャパシターの寿命はあるもの、理論的にはこれによりの充放電の繰り返しができるはずである。まず、これが実現可能であるかを検証する。積層キャパシタの製造プロセスは完全禁水系でなければならないので、この設備を構築する。これに加えキャパシターの充放電特性の解析を行う。研究室内にプロジェクトチームを作り、これらの研究を進める。
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