研究成果のポイント

・細孔壁の大部分が単層グラフェンから成るメソ多孔体「グラフェンメソスポンジ」をシームレスなシート電極に成型し、電気二重層キャパシタの電極に利用しました。
・高温耐性や高電圧耐性において、従来最も優れた材料であった単層カーボンナノチューブを上回りました。
・一般的な有機系電解液を用い、室温にて4.4 Vでも安定に動作する対称キャパシタの構築が可能となりました。
・従来は2.7～2.8 Vが限界であったキャパシタ単セルの上限電圧を大幅に増加できることから、高電圧キャパシタモジュールの小型化が可能になります。

概要

東北大学多元物質科学研究所の野村啓太（大学院生）、西原洋知准教授及び京谷 隆教授、TOCキャパシタ株式会社の小林直哉博士らの研究グループは、細孔壁が高品質のグラフェンから成るメソ多孔体「グラフェンメソスポンジ」をシームレスなシート電極に成型し、これを用いた高耐久の電気二重層キャパシタを開発しました。現在の電気二重層キャパシタは活性炭を電極材料に利用していますが、高電圧をかけると活性炭が劣化するため単セルの上限電圧は2.7～2.8 Vに制限されていました。このため、数百Vの出力を得るには100個以上の単セルを直列に接続しなければならず、モジュールが大型化するため用途が制限されていました。今回開発した材料を用いた電気二重層キャパシタは、60 °Cの高温で3.5 Vの高電圧を700時間以上に渡って印加しても全く劣化しませんでした。さらに、室温で最大4.4 Vまで電圧を上昇できました。従来の高耐久性材料は単層カーボンナノチューブ注7)でしたが、今回の材料は高温耐性・高電圧耐性でこれを上回りました。さらに、単層カーボンナノチューブよりも製造コストが低く抑えられる利点もあります。単セルの電圧を増加させることで高電圧キャパシタモジュールの小型化が可能になるため、電気二重層キャパシタの用途範囲が大幅に広がることが期待できます。
本成果は、2019年2月6日10時（英国時間）にEnergy & Environmental Science誌にてオンライン公開されました。
プレスリリース本文（PDF）

論文情報

“4.4 V supercapacitors based on super-stable mesoporous carbon sheet made of edge-free graphene walls”
Keita Nomura, Hirotomo Nishihara, Naoya Kobayashi, Toshihiro Asada, and Takashi Kyotani
Energy & Environmental Science
Doi：10.1039/C8EE03184C

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