総合化学5社。　https://neovisionconsulting.blogspot.com/2024/11/5-20241111.html: 「分子をまぶす」アプローチでスーパーキャパシタを実現 ─高価なナノ炭素不要で多分野への普及に期待─

2024年6月25日 11:00 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所　教授　藪浩
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

酸化還元能のある顔料分子を安価な活性炭に分子吸着させたキャパシタ用電極を作製しました。
炭素単体の場合に比べ6倍となる比静電容量907 F/gAC（注1）を達成しました。
20,000回の充放電サイクルとLED点灯などに必要な電力供給を実現しました。

【概要】

電気二重層キャパシタ（注2）は、電極の表面に電気を蓄えることで素早く充電や放電ができるため、高出力のエネルギーデバイスとして注目されていますが、蓄電池と比べて容量が小さいという課題がありました。近年、カーボンナノチューブ（CNT）などのナノ炭素材料を使って表面積を増やした容量の大きいスーパーキャパシタが開発されています。しかしナノ炭素は一般的に高価であり、より簡単で安価にキャパシタの容量を増やす方法が求められていました。

東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の藪浩教授（主任研究者、同研究所水素科学GXオープンイノベーションセンター副センター長）、東北大学発ベンチャーであるAZUL Energy株式会社（宮城県仙台市、伊藤晃寿社長）、および4月1日に両者が共同で設置したAZUL Energy×東北大学バイオ創発GX共創研究所からなる研究グループは、青色顔料の一種である鉄アザフタロシアニン（FeAzPc-4N）を活性炭に「まぶす」ことで分子レベルで吸着させ、その酸化還元能を活用することにより、炭素のみの場合に比べ容量を2.6倍(907 F/gAC)まで増加させることに成功しました。さらに20 A/gACという高負荷領域においても20,000回の充放電サイクルが可能であり、LED点灯などが可能であることを実証しました。（図1）。

本研究で開発されたキャパシタ電極は、一般的に入手可能で安価な活性炭を使用しながら、CNT等を用いたスーパーキャパシタ並に容量を引き上げることが可能であり、様々な用途へのエネルギーデバイスとして応用が期待されます。

本研究成果は、6月20日（米国東部時間）に米国化学会発行の科学誌ACS Applied Materials Interfacesオンライン速報版に掲載され、同誌のSupplementary Coverにも採用されました。

図1.　鉄アザフタロシアニン分子を分子吸着した活性炭の模式図（上）と容量・活性炭単体に対する容量増加率（左下）、20 A/gACで充放電を繰り返した場合の容量と容量維持率（下中央）、キャパシタセル2つを直列につないだ簡易充放電セルによるLEDの点灯実験（右下）。

【用語解説】

注1.F/g, F/gAC
Fは静電容量の単位である「ファラド」を表し、1クーロン(C)の電気量を充電したときに1ボルト(V)の直流の電圧を生ずる2導体間の静電容量を示す。したがってF/gは電極重量あたりの重量を示す。F/gACは電極に用いる活性炭の重量当たりの容量を示す。

注2. 電気二重層キャパシタ
コンデンサとも言う。電気二重層は、2 つの異なる相（例えば固体電極と電解液）が接触する界面近傍で、正か負の電荷や電解質イオンが薄い層として並ぶ現象。電気二重層キャパシタはこの現象を利用する蓄電デバイス。構造は電極・集電体、電解液、セパレータ、絶縁パッキンから成る。充電時に電極と逆極性の電解質イオンを電極の表面に物理的に吸着させて電気二重層を形成し、放電時に脱離させる。二次電池と異なり充電・放電の際に化学反応を伴わないため、電極の劣化がほとんどなく、長期にわたって使用できる。

詳細（プレスリリース本文）