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セルロースナノファイバーによる蓄電体の開発 ~スーパーキャパシタに向けた新たな物理的高性能電子吸着体~

 東北大学は2021年3月23日,同大学未来科学技術共同研究センターの福原幹夫リサーチフェロー,長谷川史彦センター長,同大学院工学研究科附属先端材料強度科学研究センターの橋田 俊之教授,静岡大学の藤間 信久教授,仙台高等専門学校の武田 光博教授らの研究グループと日本製紙株式会社開発本部CNF研究所が共同で,セルロースナノファイバー(CNF)に強力な蓄電効果があることを初めて発見し,ナノサイズの凹凸を持つ電荷吸着部を作り出すことで,乾式で軽量のスーパーキャパシタの開発に成功した,と発表した.本研究の成果はScientific Reports誌にオンライン掲載された(注).

 木材のセルロースを原料とするCNFはカーボン・ニュートラルな新素材として期待されているが,現在のところ,その応用は機械的・化学的・医学的分野に限られている.本研究で,電荷蓄積部にCNFを用いたスーパーキャパシタが開発され,CNFの応用分野がエネルギー分野にも拡大した.

 実用化されているスーパーキャパシタは,電極表面と電解液の間に形成される電気二重層を電荷蓄積に利用している.電荷蓄電量を高めるには,蓄積部分の表面積を増やすことが有効であり,研究グループは以前より,さまざまな材料を用い,電極表面に電解質の電気二重層に代わるナノスケールの凹凸構造を形成して,電解液を使用しないドライな電荷蓄積体の容量増大を試みている.適度に制御されたナノスケールの凹凸が10の6乗則で効くファンデルワールス力の効果を高め,電子の吸着量を増大させるという.これを発展させた本研究では,アルミ電極表面に接するCNFが電子密度分布に適度な凹凸を与え,これが電荷蓄積に利用された.CNFは,-COONa基で変性したCNF(直径3nm)の水分散液を塗布・乾燥して得られた厚さ10μmの皮膜としてアルミ表面に付着している.アルミ表面に接するCNFにより,アルミ表面に向かって凸状に形成される電子密度分布のコンベキシティー(直径に相当)の計算値は17.9nmである.この効果に加え,CNFを用いることで,グルコースの炭素-酸素二重結合部に生じるラジカルの偏りとナトリウムイオン局在の効果もあり,電子吸着量は一層増大する.開発されたキャパシタは高電圧耐性(~400V)を有し,最大電荷蓄積量は221mJm-2(パワー密度13.1Wkg-1,エネルギー密度1.6Whkg-1)であった.このキャパシタを2mA,10Vで充電した後,LEDを1秒間光らせることができた.

 開発されたキャパシタは,CNFが電気二重層を形成し,従来のスーパーキャパシタのように電解液を使用しないドライなキャパシタである.さらに,電解液では避けられない分解電圧が存在せず高電圧の蓄電も可能である.MEMS技術でキャパシタを集積することで容量の増大も可能という.

 空中非接触原子間力顕微鏡における電子吸着,真空中の強力電子線照射(蓄電)による 炭素原子間収 縮の実験からから,空中,真空中からの充放電の可能性も見出され,研究グループは,地表と上空の電圧勾配(地球コンデンサー)から蓄電することもできると期待している.

(注)M. Fukuhara, T. Kuroda, F. Hasegawa, T. Hashida, M. Takeda, N. Fujima, M. Morita, and T. Nakatani, "Amorphous cellulose nanofiber supercapacitors", Scientific Reports, Vol. 11, Article number: 6436 (2021), DOI: 10.1038/s41598-021-85901-3; Published: 19 March 2021