今回開発した電気化学キャパシタの化学反応
東北大学の研究グループは1月8日、有機分子のみで構成される電気キャパシタを開発したと発表した。化学電池よりも容量的に大きなものが作られにくいキャパシタだが、大容量かつ大出力なものが製造でき、また非常に安価かつ安全という。
この研究は、独立行政法人科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業の研究課題「プロトン型大容量電気化学キャパシタの研究」の一環として行われたもので、東北大学多元物理化学研究所サステナブル理工学センターの本間格教授らのグループで開発された。
電気化学キャパシタ(電解ニ重層コンデンサ)は電解質内を動く荷電粒子を利用したコンデンサの一種で、化学的バッテリーに比べて瞬間的に高い電流を取り出せるなどの利点はあったが、大容量化や低価格化が難しく、大型の蓄電用途には向いていなかった。
炭素ナノ構造体の間に有機分子を閉じ込めている
本研究では、金属酸化物ではなく有機分子(アントラキノン、テトラクロロヒドロキノン)を活物質として利用することで安価かつ環境負荷が少ないキャパシタを製作。こららの有機分子は導電性がなく電解質に溶け出すことから電極材料には不向きとされていたが、炭素材料内部のナノ空間に閉じ込めることで安定した充放電反応が得られたという。
重量あたりの容量ではリチウムイオン充電池にはかなわないが、キャパシタとしては高い性能を持つ
この電気化学キャパシタは鉛蓄電池に匹敵する10～20Wh/kg というエネルギー密度を実現し、さらに鉛蓄電池では不可能な1000W/kgという急速充放電（数十秒での充放電）も可能という。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、1万サイクルを超える安定な充放電を実現できたという。
他の充電池と比較すると、鉛蓄電池をリプレイスする可能性を持つようだ
現在でも急速充放電できるキャパシタと容量の大きな鉛蓄電池を組み合わせることで産業用バックアップ電源などに使用することが行われているが、電気化学キャパシタは安価・大容量・急速充放電という特長を持つため単独で大容量蓄電システムを製造できる可能性がある。とくに急速充電可能な蓄電装置は風力など自然エネルギーの出力平滑化に必須であり、今後のエネルギー需要やスマートグリッド化においては重要な役割を果たすと考えられる。
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