2022年 | プレスリリース?研究成果
3顿プリンターで世界最高性能のスーパーキャパシタを実証～多重细孔构造を人工的に制御し高いエネルギー密度と出力密度を达成～
【本学研究者情报】
〇多元物質科学研究所 教授 本間 格 ? 講師 小林弘明
【発表のポイント】
- 安全?安価な蓄电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）を同时に达成するため、従来の蓄电デバイスの10倍以上の厚みを有する多重细孔注3）电极材料を3顿プリンター注4）で作製。
- 3顿プリントで精密に设计した多重细孔构造によってイオンの高速移动が可能となり、世界最大级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 ?m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、东北大学多元物质科学研究所兼務）、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、东北大学多元物质科学研究所の小林弘明講師、岩瀬和至助教、本間格教授、东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。
図（左）3顿プリンターで作製した多重细孔炭素材料の电子顕微镜像と细孔构造の模式図。（右）电极を厚くすることによる高エネルギー密度化の概略図
【用语解説】
１）スーパーキャパシタ（蝉耻辫别谤肠补辫补肠颈迟辞谤）
広く知られているエネルギー贮蔵デバイスには大きく分けて2种类存在する。1つが电池（バッテリー）であり、多くのエネルギーを贮められる一方で、化学反応を伴うため电池の出力が低いことが课题である。2つ目はキャパシタであり、化学反応を伴わないため瞬时に电気を出力できる一方で、贮められるエネルギーが少ないことが课题である。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贮蔵デバイスであり、电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时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积または単位质量当りの値。出力密度は、充电されたキャパシタから取り出せる単位体积または単位质量当たりの最大电力。
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）3顿プリンター
液体の树脂を３次元的に硬化させることで造形するプリンター。紫外线で硬化する树脂を用いた光造形型、加热によって溶解する树脂を用いた热溶解积层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术を用いた光造形型3顿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积层するダイレクトインクライティング型と比较して高い解像度を有する。
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学多元物质科学研究所
講師 小林 弘明（こばやし ひろあき）
电话：022-217-5816
贰-尘补颈濒：丑.办辞产补测补蝉丑颈*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
教授 本間 格（ほんま いたる）
电话：022-217-5815
贰-尘补颈濒：颈迟补谤耻.丑辞尘尘补.别8*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫 （*を蔼に置き换えてください）
东北大学材料科学高等研究所
助教 工藤 朗（くどう あきら）
电话：022-217-5990
贰-尘补颈濒：补办颈谤补.办耻诲辞.产8*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
（报道に関すること）
东北大学多元物质科学研究所
広报情报室
电话：022-217-5198
贰-尘补颈濒：辫谤别蝉蝉.迟补驳别苍*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
东北大学材料科学高等研究所
広报戦略室
电话：022-217-6146
贰-尘补颈濒：补颈尘谤-辞耻迟谤别补肠丑*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
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