| 研究課題/領域番号 |
18H03924
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
大久保 將史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20453673)
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| 研究分担者 |
大谷 実 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (50334040)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | キャパシタ |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、キャパシタの高エネルギー密度化を目指し、キャパシタンスを増大させる新指針として「電気二重層の誘電率制御」を提案した。対象として、MXene（マキシン）と総称される層状化合物に着目する。MXeneは、層間への高速蓄電、金属伝導、多様な組成選択性など、材料開発に関して多くの利点を持つため、蓄電特性を大幅に向上できる可能性がある。
2020年度において、Ti2CTx、Ti3C2Tx、Mo2CTxなど様々な組成を持つMXeneの電極性能を更に高めるために、まず、理論計算による表面官能基とカチオン種の電荷移動相互作用について詳細に検討した。その結果、イオン種と表面官能基種により電荷移動が大きく異なることが分かり、電気2重層キャパシタから擬似容量キャパシタへの連続的な変調が可能であることが分かった。擬似容量への変調により、キャパシタ容量を増大することができる。
次に、水晶振動子ミクロバランス法を用いてMXene電極と電解液の相互作用を実験的に検証した。その結果、水分子とMXeneの相互作用だけでなく、カチオンへの水和力も層間相互作用への大きな影響を与えており、特に、pHの影響が大きいことが分かり、高pH条件で擬似容量が生じやすいことが分かった。その原因としては、表面官能基の水酸基が酸化物イオンに変化し、カチオンとの電荷移動相互作用を増大させる機構が主因であることが明らかになった。
以上の結果から、高容量・高出力を両立した高性能蓄電デバイスを実現するためには、MXene表面－カチオン－溶媒の相関を統合的に制御することが重要であることが明らかとなった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
MXene電極と電解液がキャパシタ容量に与える影響を定量的に実験・理論計算の両面から明らかにしており、これらの複雑な情報の統計解析による可視化にも成功していることから、当初の計画以上に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
MXene電極が、表面状態・イオン種・溶媒分子の複雑な相互作用に支配されることが明らかとなり、膨大な数の特徴量を記述子とする統計解析が必要な状況である。また、電解液の組成が電極特性に与える影響が大きいことが明らかであるにもかかわらず、現状で、電解液の影響は定量化されていない。以上の状況を鑑み、最も重要な取り組みは複雑な特徴量を扱っての統計解析による記述子の可視化である。現在、先端の情報統計解析技術を利用することで複雑因子の解明に取り組んでおり、得られた知見に基づいた電極システム設計により高性能キャパシタを実現することができると期待される。
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