| 研究課題/領域番号 |
17H03123
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| 研究機関 | 群馬大学 |
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研究代表者 |
白石 壮志 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (40292627)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | キャパシタ / 活性炭電極 / シームレス / 耐久性 |
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| 研究実績の概要 |
電気化学キャパシタは優れたパワーと充放電寿命を有する蓄電デバイスであるが、一般的にはエネルギー密度が低く、キャパシタの容量と耐電圧の改善が求められている。耐電圧に注目したキャパシタ電極の開発はこれまでにほとんど前例がなく、キャパシタの高エネルギー密度化・信頼性の更なる向上にとって極めて重要なことである。本研究では、代表的な電気化学キャパシタである電気二重層キャパシタの耐電圧を大幅に改善できる「シームレス活性炭電極」（カーボン粒子同士の接触界面が存在しない構造体）に注目した。高電圧充電に伴う容量劣化メカニズムを解明しつつ、シームレス活性炭電極の細孔構造・結晶性・表面化学状態・電極三次元構造を制御し、高電圧作動型電気二重層キャパシタ用の「超安定性カーボン電極」の実現を目指す。
当該年度では、①シームレス活性炭電極の表面修飾（高結晶化・窒素ドープ・不活性金属コーティングなど）、②高電圧充電前後での電極の状態変化分析（分解物による細孔閉塞・表面官能基変化など）、の二項目全てを当初の計画に従って実施した。①は高電圧充電時の電気分解反応そのものを促進する活性点を失活させて（安定化）、耐久性を改善するのが狙いである。当該年度では窒素ドープによって体積比容量を損なうことなく（17 F cm-3）、3.5 V・100 h・70 ℃での高電圧フロート耐久試験における容量維持率を83%に向上できた。②については、シームレス活性炭電極を用いて高電圧充電耐性の電解質塩依存性について主に注目して調べた。その結果、キャパシタ用の四級アンモニウム塩に比べてリチウム塩の場合には特に大量の電気分解生成物が細孔入口付近に析出することによって容量が著しく低下することが明らかになった。このことから、電気二重層キャパシタの高電圧充電耐性を効果的に改善するための重大なヒントが得られた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、高電圧作動型電気二重層キャパシタ用の「超安定性カーボン電極」を実現するための指標として、3.5 V・100 h・70 ℃での高電圧フロート耐久試験での容量維持率が90％以上であることを掲げている。シームレス活性炭電極はこれまでに約80%の容量維持率を示すが、当該年度の研究によって体積比容量を損なうことなく容量維持率を約3%改善できた。また、耐久試験後の電極の分析等によって、高電圧充電に伴う電気分解はシームレス活性炭電極表面近傍に集中しており、電気分解生成物が細孔入口を閉塞することが容量低下の主要因になっていることが示唆された。さらに高電圧充電中のガス発生分析を行ったところ、予想外の結果も得られた。具体的には、高電圧充電に伴う正負極個別の発生ガス成分とキャパシタセル全体としての発生ガス成分が異なることを明らかにすることができた。
その他の成果として、シームレス活性炭電極の共同研究開発を行っているアイオン株式会社が電気化学分析用電極としてのシームレス活性炭電極の実用化に成功したことを挙げることができる。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度で得られた知見を元に電気二重層キャパシタ電極としての高電圧充電耐性を最大化するための条件を見出す。シームレス活性炭電極のマトリクス全体ではなく電極表面（マクロ孔側壁も含む）に電気分解が集中してミクロ孔の閉塞が生じていることを重視して、シームレス活性炭電極の表面修飾の効果的に行う手法を検討する。引き続き耐久試験前後の状態変化分析も進め、その結果を耐久性改善のための材料設計の最適化にフィードバックする。特にH29年度に導入したオンラインマス分析計を用いてTPD（昇温脱離法）分析を積極的に行い、表面官能基と高電圧充電耐性の相関を明らかにすることで、表面修飾の効果の検証に役立てる。さらにシームレス活性炭電極の特性の一般化をはかるため、数センチ角サイズの電極での実証試験も行う。
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| 備考 |
当該年度において、共同研究パートナーのアイオン株式会社（協力機関）がシームレス活性炭電極を実用化し、「CROUS」の商品名にて販売が開始された。
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