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

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02394
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 鶴見 敬章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (70188647)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 保科 拓也 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80509399) ; 安原 颯 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (20880032)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 蓄電キャパシタ / 固体電解質

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。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。また、これまでの研究の結果、効率の向上と高電圧化が必須の課題であることが明らかとなった。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。
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りキャパシタとして機能しない。そこで禁水系での材料合成を行いなったところ、若干ではあるが性能の向上を確認した。高電圧化への決定的な新アイデアとしてファラデー電流バリアという概念を提案した。ファラデー電流バリアは電極界面でリチウムイオンの拡散係数を低下させ、電気分極は維持する層である。候補材料の１つとしてp型半導体である酸化ニッケルを正負電極とリチウム伝導体の間に挟み充放電特性を測定した。その結果、効率が20％程度から70％以上へと飛躍的に増加した。また、リチウムの酸化還元電位以上である20Ｖでも、効率は低いものの放電電流が観察され、ファラデー電流バリアの有効性が確認された。この他にも、イオン伝導体をニッケル箔／ファラデー電流バリアでサンドイッチしたキャパシタ構造の作製にも成功した。イオン伝導体については低温焼結でき、イオン伝導性が十分な酸化物材料を開発した。これらの成果より、ファラデー電流バリアとリチウムイオン伝導体のナノレベルでの複合構造を作れば、エネルギー密度の高い高電圧蓄電キャパシタの作製が可能であることがわかった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。