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2023 年度 実績報告書

多孔質炭素上に形成される超高エネルギー密度蓄電状態の電気二重層

研究課題

研究課題/領域番号 22H01460
配分区分補助金
研究機関秋田大学

研究代表者

熊谷 誠治  秋田大学, 理工学研究科, 教授 (00363739)

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, 電動化システム共同研究センター, 特任助教 (60908953)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
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
研究実績の概要

100 Wh/kgを超える超高エネルギー密度の電気二重層の形成解放機構と電気化学特性の解明を目指した。その解明のために,セルの静電容量および抵抗源を詳細に再現した等価回路を用いた回路シミュレーションとインピーダンス分析を組み合わせた電気化学インピーダンス分光手法を採用した。その手法は,電気二重層キャパシタセルに直流バイアス電圧を印加しつつ,振幅5 mV,周波数0.01~100 kHzの交流電圧を重畳し,各周波数におけるインピーダンス実部と虚部の関係を得るものである。それにより,電気二重層の内層および拡散層の静電容量および抵抗,拡散層とバルク層の界面抵抗など,要素特定解析が可能となった。動作温度が25℃の場合において,セル電圧2.5 Vおよび4.0 Vの充電状態,すなわち40 Wh/kgの中エネルギー密度状態と130 Wh/kgの高エネルギー密度状態の電気二重層を作り出し,それに対してインピーダンス分光分析を適用した。その結果,高エネルギー密度状態では,活性炭とイオン液体の界面に形成される内層における抵抗と,イオン液体における拡散層とバルク層の間の界面における抵抗が増加すること,さらに,拡散層での拡散抵抗は減少すること,すなわち電気二重層が解放されやすい状態になることが分かった。このように,イオン液体中のカチオンとアニオンが極めて高密度に分極している状態での電気化学的な性状評価が可能となった。今後,周囲温度や活性炭電極の細孔構造が異なる場合など種々の条件下での超高エネルギー密度蓄電状態の電気二重層の性状を評価していく。

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

100 Wh/kg以上のエネルギー密度を実現できる条件で,セルの静電容量および抵抗源を詳細に再現した等価回路を用いた回路シミュレーションとインピーダンス分析を組み合わせた電気化学インピーダンス分光手法によって,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った。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ことができた。得られた数値をもとに,超高エネルギー密度蓄電状態の電気二重層の性状を把握することができた。

今後の研究の推進方策

当初計画通りに研究を進行する。100 Wh/kgを超える高エネルギー密度の電気二重層を形成する手法を確立し,その状態における電気二重層の電気化学特性評価も可能になった。それゆえ,電気二重層のエネルギー密度およびその電気化学特性の及ぼす諸因子の影響の解明を行う。特に,セル電圧,動作温度,活性炭の種類,活性炭電極に使用する導電助剤,イオン液体の種類の影響を注目する。電気二重層が実現可能な最大のエネルギー密度を見出し,詳細な電気化学インピーダンス分光分析を実行することで,最終的に多孔質炭素上に形成される超高エネルギー密度蓄電状態の電気二重層の性状を明らかにする。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] Recycling marine plastic waste to energy storage devices2023

    • 著者名/発表者名
      Tashima Daisuke, Kashio Takuhiro, Eguchi Takuya, Kumagai Seiji, Tsubota Toshiki, Madden John D.W.
    • 雑誌名

      Materials Letters: X

      巻: 18 ページ: 100193

    • DOI

      10.1016/j.mlblux.2023.100193

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Effect of Si layer thickness on the cycling stability and aging behavior of Li-ion capacitors with micrometer-sized Si anodes2023

    • 著者名/発表者名
      Eguchi Takuya, Sawada Keiichiro, Abe Yusuke, Kumagai Seiji
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 580 ページ: 233407

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2023.233407

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Si負極を用いたリチウムイオンキャパシタの高エネルギー密度化2023

    • 著者名/発表者名
      江口卓弥,熊谷誠治
    • 雑誌名

      キャパシタフォーラム会報

      巻: 18 ページ: 28~31

  • [学会発表] 異種活性炭添加による電気二重層キャパシタ電極の耐久性向上への影響2023

    • 著者名/発表者名
      遠藤幸太郎,安部勇輔,熊谷誠治
    • 学会等名
      日本素材物性学会令和5年度(第33回)年会
  • [学会発表] イオン液体を電解液に用いた電気二重層キャパシタの高エネルギー密度化に及ぼす導電助剤の影響2023

    • 著者名/発表者名
      藤本一輝,安部勇輔,熊谷誠治
    • 学会等名
      日本素材物性学会令和5年度(第33回)年会
  • [学会発表] Electrochemical performance of Li-ion capacitor using graphite/hard carbon composite anode2023

    • 著者名/発表者名
      Cheng Jie Chng, Xinyu Ma, Yusuke Abe, Seiji Kumagai
    • 学会等名
      日本素材物性学会令和5年度(第33回)年会
  • [学会発表] イオン液体を電解液に用いた電気二重層キャパシタの低温特性2023

    • 著者名/発表者名
      千田禎喜,安部勇輔,熊谷誠治
    • 学会等名
      2023年電気関係学会東北支部連合大会
  • [学会発表] Electrochemical impedance analysis of graphite/hard carbon composite anode for Li-ion capacitor2023

    • 著者名/発表者名
      Cheng Jie Chng, Xinyu Ma, Yusuke Abe, Seiji Kumagai
    • 学会等名
      2023年電気関係学会東北支部連合大会

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公開日: 2024-12-25  

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