2018 Fiscal Year Annual Research Report
固体イオンキャパシタの提案と蓄電装置としての可能性検証
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16H02394
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鶴見 敬章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (70188647)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 助教 (80509399)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | キャパシター / エネルギー貯蔵 / イオン伝導体 / 蓄電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。昨年度の研究でイオン伝導体としてチウムボレートガラスを電極材料としてカーボンを選択し。水熱プレス法で両者の積層構造の形成が可能なことを明らかにした。
そこで本年度は、リチウムボレートガラスの組成を最適化し、蓄電エネルギー密度を向上するための指針を得ることを目的として研究を行った。イオン伝導ガラスの組成はリチウムとホウ素の２成分であるが、これに塩素、臭素、ヨウ素のハロゲンイオンを添加したときの充放電特性に与える影響を知らべたところ、塩素の添加が有効であることを明らかにした。キャパシタに蓄えられるエネルギーは充電電圧の２乗に比例することが知られている。液体を電解質とする電気２重層キャパシタでは、電気分解により５Ｖ以上の電圧をかけることはできないが、本キャパシタは１００Ｖまでの印可が可能であることを確認した。このときの蓄電エネルギー密度は１８Wh/Lで電気２重層キャパシタよりは高い値が得られた。さらに高い電圧を印可するには、ガラス中の水分をできうる限り低減することが必要であることが分かった。また、水熱プレス法での積層構造の形成について作製条件を明らかにした。少量の塩酸の添加が緻密化には重要であり、一連の作製プロセスをコンピュータ制御して、特に１８０℃程度でプレスし緻密化しながら、内包する水蒸気を圧力制御バルブを介して系外に排出することが緻密化のために必要であることを突き止めた。電極材料としてカーボンを選択していたが、さらに安価なアルミ箔でも積層構造が形成できることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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、充電電圧の増加が最も有効であるが、従来までの液体を電解質とした電気２重層キャパシタでは電解質の電気分解により充電電圧は５Ｖ以下であった。今年度の研究により本研究の固体キャパシタが１００Ｖ以上の電圧で充電できたことは非常に重要な結果である。さらに、高い電圧をかけるにはガラス中の水分を低減する必要がある。また、電極材料も安価なアルミ箔が使えることを見出したことも実用化の観点では有意義である。このような意味で研究は順調に進んでいると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までの研究で固体蓄電キャパシタについての原理確認と基礎的な検討は終了した。来年度からは、キャパシタ実現に向けての開発研究をスタートする。まずはイオン伝導体であるリチウムガラスについて、含有する水分量を極限まで低下する必要がある。このため原料の選択が非常に重要になり、水を含みやすいホウ酸と炭酸リチウムを原料に使用することは避ける。また、高電圧充電を可能にするためホウ酸の一部をケイ酸で置換することを試みる。積層構造の形成では、アルミ箔の表面にリチウムガラスを均一に堆積するため、電気泳動法の利用を試みる。すなわち、今年度はリチウムガラス組成の高電圧化に向けた最適化と積層プロセスの完成を目指して研究を行う。
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