【本学研究者情報】

〇学際科学フロンティア研究所（兼）大学院工学研究科付属超臨界溶媒工学研究センター　准教授　中安祐太
研究室ウェブサイト

〇大学院工学研究科附属超臨界溶媒工学研究センター　教授　渡邉賢
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【発表のポイント】

• 植物由来のバイオマス炭素で高耐久かつ高エネルギー密度の全有機電池^（注1）の開発に成功しました。
• 実用に近いパウチ電池^（注2）での動作実証に成功し、3000回の充放電でも容量劣化0.25%の高耐久性を実現しました。
• 金属を使用しない電池開発へ向けた新たな材料設計指針の提示により、資源に依存した技術からの脱却、および環境にやさしいデバイスの開発の加速が期待されます。

【概要】

全有機電池の性能は、材料そのものの性質だけでなく、有機分子と炭素材料がどれだけ適合するかによって大きく左右されます。

東北大学学際科学フロンティア研究所（FRIS）の中安祐太准教授らの研究グループは、植物由来バイオマス炭素のミクロ孔^（注3）を有機分子の大きさに合わせて精密に調整することで、水系全有機電池の高性能化と長寿命化を実現しました。

本研究では、キノン系有機分子と炭素材料の相互作用に着目し、分子サイズに適合するミクロ孔を設計する「分子適合型ミクロ孔設計^（注4）」という新たな材料設計指針を提案しました。複数の植物由来バイオマス炭素を比較した結果、同じ原料でもミクロ孔構造が異なる場合があり、「有機分子と相性の良い大きさ」のミクロ孔体積が電池性能向上の鍵であることを突き止めました。これは、原料の種類よりも、分子サイズに適合するミクロ孔を再現性高く形成できるかどうかが、電池性能を左右する決定的要因であることを示しています。

この設計指針に基づいて作製した炭素材料を用いた大面積パウチ電池では、3000回の充放電後も99.75%の容量を維持し、複数電池を直列接続したモジュール動作も確認されました。さらに、3GeV高輝度放射光施設NanoTerasu^（注5）を活用した電子密度相関解析により、ミクロ構造と電池特性の関係が詳細に可視化され、分子と孔構造の適合が性能を左右する仕組みが明確になりました。

本成果は2026年4月20日、材料化学に関する分野の専門誌Journal of Materials Chemistry A に掲載されました。

【用語解説】

注1．全有機電池：正極・負極の活物質に金属ではなく有機分子を用いる電池の総称。資源制約が小さい材料設計が可能である一方、低分子材料では充放電に伴う性能劣化が課題とされている。

注2．パウチ電池：アルミラミネート等の袋状外装で密閉する電池形式。電解液量・内部構造を実用に近い形で設計することができるため、実用化前段階の性能試験に用いられる。

注3．ミクロ孔：多孔質材料の孔の分類で、ミクロ孔は概ね2 nm未満の孔のこと。

注4．分子適合型ミクロ孔設計：扱う分子の幾何学的サイズや拡散特性に合わせて、孔径分布・孔体積・アクセス性（入口やメソ孔ネットワーク）を設計するという本研究を基に提唱された設計手法。

注5．NanoTerasu（ナノテラス）：東北大学青葉山新キャンパス内にある国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（QST）と一般財団法人光科学イノベーションセンター（PhoSIC）を代表機関とする放射光施設。世界最高水準の高輝度X線を使って物質の構造や電子状態を原子レベルで解析することが可能。

【論文情報】

タイトル：Micropore engineering of biomass-derived carbon for durable, high-loading aqueous all-organic pouch batteries
著者：Keisho Ri, Nagihiro Haba, Ryotaro Kumashiro, Ayaka Kido, Tomoya Yamada, Yuto Katsuyama, Masaru Watanabe, Kayoko Kobayashi, and Yuta Nakayasu*
*責任著者：東北大学 学際科学フロンティア研究所
准教授　中安 祐太
掲載誌：Journal of Materials Chemistry A
DOI: 10.1039/D5TA10161A

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）
東北大学学際科学フロンティア研究所
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TEL:022-795-5872
Email: nakayasu*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学学際科学フロンティア研究所　企画部
上野　裕
TEL: 022-795-4353
Email: hiroshi.ueno.d5*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）