【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　本間 格 ・ 講師　小林弘明
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【発表のポイント】

• 安全・安価な蓄電デバイスとしてスーパーキャパシタ^注1）に着目。
• トレードオフの関係にある高エネルギー密度と高出力密度^注2）を同時に達成するため、従来の蓄電デバイスの10倍以上の厚みを有する多重細孔^注3）電極材料を3Dプリンター^注4）で作製。
• 3Dプリントで精密に設計した多重細孔構造によってイオンの高速移動が可能となり、世界最大級のエネルギー密度と出力密度を有するスーパーキャパシタを実証。

【概要】

風力や太陽光など出力変動の大きい再生可能エネルギー利用の増加に伴い、電力負荷平準化のための大規模エネルギー貯蔵デバイスに注目が集められています。エネルギーデバイスのエネルギー密度・出力密度の向上は、駆動時間の向上やハイパワー電源として利用するために重要です。現行のエネルギーデバイスでは厚み100 µm以下の薄いシート状の電極が用いられていますが、その電極シートを厚くすることでエネルギー密度の向上が可能です。しかしながら、厚い電極内ではイオンが十分な速度で移動することができず、出力密度が大きく低下する課題があります。このようにエネルギー密度と出力密度にはトレードオフの関係があり、高いエネルギー密度と出力密度の両立が課題となっています。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校博士課程の勝山湧斗さん（研究当時、東北大学多元物質科学研究所兼務）、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のRichard B. Kanerディスティングイッシュトプロフェッサー、東北大学多元物質科学研究所の小林弘明講師、岩瀬和至助教、本間格教授、東北大学材料科学高等研究所の工藤朗助教らの国際共同研究チームは、3Dプリンターを用いてイオンが高速で移動できる経路を人工的に設計した多重細孔炭素電極材料を作製しました。これにより従来の蓄電デバイスの10倍以上の厚みを有する電極でも高速なイオン移動が可能となり、世界最大級のエネルギー密度と出力密度を有するスーパーキャパシタの作製に成功しました。

本研究成果は、2022年4月21日に独科学誌Advanced Functional Materials誌にオンライン掲載されました。

【用語解説】

１）スーパーキャパシタ（supercapacitor）
広く知られているエネルギー貯蔵デバイスには大きく分けて2種類存在する。1つが電池（バッテリー）であり、多くのエネルギーを貯められる一方で、化学反応を伴うため電池の出力が低いことが課題である。2つ目はキャパシタであり、化学反応を伴わないため瞬時に電気を出力できる一方で、貯められるエネルギーが少ないことが課題である。この2つのギャップを埋めるのがスーパーキャパシタと呼ばれるエネルギー貯蔵デバイスであり、電池のように高いエネルギー密度を有しながらも、キャパシタのように高い出力も同時に有する特徴を持つ。

２）エネルギー密度、出力密度
エネルギー密度は、キャパシタから取り出せるエネルギー量の単位体積または単位質量当りの値。出力密度は、充電されたキャパシタから取り出せる単位体積または単位質量当たりの最大電力。

３）多重細孔（multimodal porosity）
細孔はその直径により大まかに3種類に分類される。一般的には直径2 nm以下の細孔をマイクロ（ナノ）孔、直径2-50 nmの細孔をメソ孔、直径50 nm以上の細孔をマクロ孔と定義され、細孔径の分布が複数存在することを多重細孔と呼ぶ。今回作製した材料はマイクロ（ナノ）孔とマクロ孔の2種類の細孔を有するため、二重細孔（bimodal porosity）構造と呼ぶ。

４）3Dプリンター
液体の樹脂を３次元的に硬化させることで造形するプリンター。紫外線で硬化する樹脂を用いた光造形型、加熱によって溶解する樹脂を用いた熱溶解積層型などが知られている。今回の研究ではステレオリソグラフィー技術を用いた光造形型3Dプリンターを用いており、ノズルから直接材料を押し出して積層するダイレクトインクライティング型と比較して高い解像度を有する。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
講師 小林 弘明（こばやし ひろあき）
電話：022-217-5816
E-mail：h.kobayashi*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

教授 本間 格（ほんま いたる）
電話：022-217-5815
E-mail：itaru.homma.e8*tohoku.ac.jp　（*を@に置き換えてください）

東北大学材料科学高等研究所
助教　工藤　朗（くどう　あきら）
電話：022-217-5990
E-mail：akira.kudo.b8*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
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電話：022-217-5198
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