2021 Fiscal Year Research-status Report

Development of Novel Hybrid Capacitor Using Graphite-oxide

Research Project

Project/Area Number	21K05255
Research Institution	Gunma University
Principal Investigator	白石壮志群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (40292627)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	畠山義清群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (90633313)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	ハイブリッドキャパシタ / 酸化黒鉛 / リチウム電池
Outline of Annual Research Achievements	ハイブリッドキャパシタは、電気二重層キャパシタ（EDLC)型電極と蓄電池用電極を組み合わせた蓄電デバイスであり、EDLCよりも高エネルギー密度を有する。当研究室では、完全放電後のフッ化黒鉛（GF）/Li電池並びに、酸化黒鉛（GO）/Li電池がハイブリッドキャパシタとして充放電可能であると見出した（それぞれGF/Liキャパシタ、GO/Liキャパシタと命名している）。GO/LiキャパシタはGF/Liキャパシタに比べて容量・エネルギー密度は優れている。しかし、GO/Liキャパシタは内部抵抗がEDLCやGF/Liキャパシタよりも高い傾向にある。本研究では、GOと単層カーボンナノチューブ（SWCNT）との複合化によって内部抵抗が低減し、GOとSWCNT との複合化率を最適化することでGO/Liキャパシタの更なる高性能化を目指した。 Hummers法で作製されたGO粉末と日本ゼオン製SWCNT（SG101）の分散液をろ過することでGO/SWCNT複合電極を作製した。GO/SWCNT複合電極を用いるとGO/Liキャパシタの内部抵抗は低減され、体積比容量も改善された。GO : SWCNTの混合重量比のキャパシタ特性に及ぼす影響を調べた結果、GO : SWCNT = 80 : 20が最適であることがわかった。また、電解液に用いる溶媒の種類についても注目した。電気化学的な還元ならびに酸素ラジカルに対して安定なテトラグライム系電解液を用いると、リチウムイオン電池によく使われるエチレンカーボネート・エチルメチル混合系電解液に比べてキャパシタとしての放電容量が改善されることが見出された。したがって、GO/Liキャパシタの放電容量向上には、電解液の安定性が重要であることが本研究により明らかになった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 研究計画に基づき、GO/Liキャパシタの内部抵抗を低減するため、GOをSWCNTを用いてコンポジット化した結果、内部抵抗を下げることに成功しただけでなく、SWCNTとの複合化の最適比も見出すことができた。この研究成果については、2021年電気化学秋季大会において報告した。さらに、黒鉛化合物研究会,第133回研究会ならびにISE72nd Annual Meetingの招待講演においても紹介することができた。また、電解液の溶媒をリチウム空気電池に使われるグライム系に変更することでさらなる高性能化ができる可能性を見出させたことは予想外の成果であった。
Strategy for Future Research Activity	初年度に引き続き、酸化黒鉛の最適化を行いつつ、電池・キャパシタとしての充放電機構の解明を行う。具体的な分析方法としては、充放電前後のX線回折測定、ラマン分光測定、SEM観察/蛍光X線分析、ガス吸着法による細孔構造解析、電気化学水晶振動子マイクロバランス（EQCM）法、昇温脱離法（TPD）分析による官能基分析、X線小角散乱（SAXS）による微細孔構造解析、等を駆使する。