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金属酸化物を使わないプロトン型大容量キャパシタが新開発 安価で安全

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東北大学は、安価な有機分子と炭素材料から成る、水系大容量電気化学キャパシタを開発したと発表した。スマートグリッド用大規模蓄電システムとしての利用が期待される。

このキャパシタは、メタルフリーな有機分子(水素、炭素、酸素、塩素の4つの軽元素のみ)を利用したプロトン型キャパシタで、大容量と高い出力を両立させた。発火の危険性がない水溶液電解質で駆動し、10,000サイクルの充放電を実現している。

この安全・安価なメタルフリーのプロトン型大容量キャパシタは、従来、キャパシタデバイスと鉛蓄電池とのハイブリッドシステムによって補われていた、高出力と大容量の両立が必要となる産業用バックアップ電源システムを単一のデバイスで置き換えることができ、将来的にはスマートグリッド用途をはじめとする大規模蓄電システムとしての産業的展開が期待される。

従来、自動車のバッテリーや産業用バックアップ電源として、安全かつ安価な鉛蓄電池が使われてきた。しかし、スマートグリッド用大規模蓄電システムに利用する場合、鉛蓄電池は瞬間的に取り出せるエネルギー(パワー密度)が小さく、高パワー密度と高エネルギー貯蔵密度を同時に達成できる、安全・安価な蓄電デバイス開発が望まれていた。

そこで、本研究グループは、電気化学キャパシタに着目し、従来検討されてきた高価な金属酸化物ではなく、環境負荷が小さく安価な有機分子(アントラキノン、テトラクロロヒドロキノン)を活物質として使うことで、電気化学キャパシタの大容量化を達成した。この電気化学キャパシタは、プロトンを介した充放電反応が出来る有機分子を炭素材料内部のナノ空間に閉じ込めることで、大容量と高いサイクル特性が実現出来ることを特徴とする。

このキャパシタは、水溶液電解質で動作するため、リチウムイオン電池に使われる有機電解質のような発火の危険性がない。さらにパワー密度の指標となるレート特性の試験結果では、1/5時間で満放電できるエネルギーは、両電極重量換算で20Wh/kgに達した。また、上記アントラキノンに替えてジクロロアントラキノンを使うことで、サイクル特性がさらに向上し、10,000サイクルを超える安定な充放電を実現した。

なお、本研究(の一部)は、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業(CREST)における研究課題「プロトン型大容量電気化学キャパシタの研究」(研究代表者東京大学先端科学技術研究センター・教授宮山勝)により実施された。

【参考】
東北大学 - メタルフリーのプロトン型大容量キャパシタの開発に成功

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