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分野グループ・研究チームの紹介(エネルギー)

エネルギー3 直井研究チーム

世界のグローバルスタンダードを構築する次世代キャパシタの研究開発

代表者について

氏名 直井 勝彦
所属研究機関 工学研究院
部門 応用化学部門
役職 教授
URL http://kenkyu-web.tuat.ac.jp/Profiles/3/00002…

外国人研究者について

氏名 Patrice Simon
所属研究機関 ポールサバティエ大学 (フランス)
部門 Material Science
役職 教授
URL http://www.univ-tlse3.fr/patrice-simon-medail…

氏名 Patrick Rozier 
所属研究機関 ポールサバティエ大学 (フランス) 
部門
役職 准教授
URL http://www.cirimat.cnrs.fr/spip.php?rubrique6…

氏名 Thierry Brousse
所属研究機関 ナント大学 (フランス)
部門 Département Matériaux - Polytech Nantes
役職 教授
URL http://www.univ-nantes.fr/brousse-t/0/fiche__…

研究者一覧

山崎 孝(工学研究院・教授)、玉光 賢次(客員教授)、宮本 淳一(工学府・キャパシタテクノロジー寄付講座教員)、岩間 悦郎(工学研究院・助教), 木須 一彰(グローバルイノベーション研究院・特任助教)

研究概要

キャパシタ電極ナノ活物質、炭素材料の分子設計技術に関する国際的共同研究を推進するキャパシタに特化したキャパシタGIOチームを編成する。

ポールサバティエ大学所属の外国人研究者は、ヨーロッパ最大のリチウムイオン電池研究ネットワークおよびフランス電気化学エネルギーデバイス(キャパシタ)研究ネットワークの代表者を務め、中でもキャパシタ分野においては世界的な研究を展開している。

本研究チームと外国人研究者の間には、10年以上に渡る国際共同研究および共著論文投稿の実績があり、今後も共著論文が期待出来る。また、農工大-ポールサバティエ大学間においてすでに短期派遣の人材交流が行われ、今回のキャパシタGIO研究チームを組織する上で充分な準備ができている。さらに、外国人研究者は世界中の大学生・研究者を対象とした欧州連合内での学術経験とEUにおける学位の取得を目的とした奨学奨励制度によるインターナショナル教育プログラムを強力に推進しており、キャパシタに関する最先端国際共同研究の推進はもちろんの事、若手教育の観点からも非常に有意義な研究者である。

研究目的

これまで世に無い全く新しい概念のキャパシタデバイスを創出するに当って、新材料の創製が必須であり、未解明な新しい現象が多く存在し、評価法も充分に確立されていない。そこで次世代キャパシタを研究し世界的に活躍している外国人研究者と国際研究チームを編成し、下記の活動を通して、次世代キャパシタを世界にアピールする。農工大側が新材料の創製、性能評価、セルデザインを行い、ボールサバティエ大はその分析やシミュレーション、理論解析を行う。

 1) メカニズム解明: 農工大のナノ複合体材料の特筆した性能について、ボールサバティエ大は、XRD-Synchrotron
  測定と精密解析、高分解能TPDによる分析を行い、SPring8による分析、HRTEM観察などと照合し、電気化学的メカニズムの解明を行う。
 2) 評価方法の確立: 現在学術論文では新ナノ材料の評価方法がバラバラであり、条件が異なるため性能も比較検討が難しい。ナノ電気化学の分野で知見の深い海外研究員の提案を農工大のナノ複合材料測定で試行し、評価法についての標準化を図る。
 3) 新理論の確立: ポールサバティエ大による Molecular Dynamicsシミュレーションと農工大での FT-IR、in-situ Raman の分析と照合し、特異なナノ構造に由来する新物性(量子的エンタングルメントとナノ電気化学現象を結びつける)の解明を行う。
 4) 国際規格の共同提案:ナノ材料開発から次世代キャパシタデバイス構築に至る技術的な道筋を立てる。ナノ材料特有の新しい多くの課題・問題点を共有化し、国際規格を共同提案する。

研究計画

ナノ空間制御によるナノ結晶金属酸化物カーボン複合体の設計と創製

(a-1) 超遠心ナノハイブリッド化による正極物質のフィージビリティ解析
カーボンと複合化する正極活物質(金属酸化物)の選定を行い、これまでに負極活物質であるスピネル型チタン酸リチウム(Li4Ti6O12:LTO)を基盤に培ってきた「超遠心ナノハイブリッド技術」を適用し複合体を創製する。多くの正極活物質の中でキャパシタ材料に適用するという観点から、高速充放電の可能性、反応電位、結晶の構造/熱安定性、体積膨張の有無などを考慮し、第一群に分類し、第二群を検討する。
研究チーム代表者が、外部資金に基づき、合成ルートを検討した材料に対して、空間・空隙制御のフィージビリティを解析し、電池材料がキャパシタ級の高速充放電するメカニズムの解明を行う。

(a-2) 最適なカーボンマトリックスをポールサバティエ大学と検討、新カーボンとの複合化
これまで複合化に最適なカーボンマトリックスとして、中空状カーボンブラックや多層・単層カーボンナノチューブを選定してきたが、外国人研究者と議論を重ね、カーボンの最適化条件などの検討に入る。ナノカーボンの空間構造は、金属酸化物ナノ結晶の粒成長を抑制し、電子をスムースに運ぶと共にイオンの通り道である空隙を確保するのに重要な役割を果たす。ポールサバティエ大学と連携して、マトリックスとなるナノカーボン次元、形状、空間を活用・制御し、カーボン表面と金属酸化物ナノ結晶のキャラクタリゼーションを行う。東京農工大では、結晶学的なイオンの移動経路を把握し、イオンの高速移動を可能とする金属酸化物の結晶パラメータ(方位、配向性、結晶の歪み、サイズ)を制御できる「超遠心ナノハイブリッド技術」の改良・確立を図る。
本研究で複合体作製法を確立し、新規カーボンとの複合化により2電子反応を有効に生かし、現行キャパシタで用いられている活性炭正極の2.5倍(100 mAh/g@300C)以上の容量発現の達成を目指す。

(a-3) 革新的新規負極材料創製と高電圧の蓄電デバイスの構築
超高比表面積カーボンや炭素被覆メソポーラスシリカをグラフェンなどと複合化しグラファイトに変わる低電位の革新的新規負極材料を創製し、正極と組み合わせ4V級キャパシタ構築を目指す。

(b) その場観察(in-situ HR-TEM) の確立と結晶子サイズ、結晶の方位・配向性の制御、特に、リアルタイムで観測可能なその場電子顕微鏡(HRTEM, STEM, HRSEM)による直接観察でカーボンマトリックス内に高分散に取り込まれたナノサイズ金属酸化物の結晶化過程などを制御し、結晶化サイズ、結晶化度を最適化する。

上記の直接観察と併用して、充放電をさせながら測定できるその場分光分析(XRD,Raman)により、これまで未知であった電気化学的な諸現象の解明を行う。また、メカニズム解明のため、必要に応じてSpring8などの設備を用いた、放射光分析(EXAFS,XANES)やab-initio計算化学的手法(CASTEP,DMOL3)を用いてマルチスケール・モデリングを行うことで、カーボンマトリックスがつくる「空間・空隙」構造とナノ金属酸化物との電子的・イオン的なアクセスとの関連性を明らかにする。

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