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分野融合拠点

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【分野融合拠点】 直井チーム

環境とエネルギーの調和と両立:未来社会創造に繋げるエネルギーファシリテータ

代表者について

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/3/0000201/profile.html

外国人研究者について

Patrice Simon

所属研究機関 ポールサバティエ大学(フランス)
部門 CIRIMAT Laboratory
役職 教授
URL http://www.univ-tlse3.fr/patrice-simon-medaille-d-argent-du-cnrs-574293.kjsp?RH=1205765646895

Patrick Rozier

所属研究機関 ポールサバティエ大学 (フランス)
部門 CIRIMAT Laboratory
役職 准教授
URL http://www.cirimat.cnrs.fr/spip.php?rubrique6&membre= 445&lang=fr

Bruce Dunn

所属研究機関 カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
部門 Materials Science and Engineering
役職 教授
URL http://www.mse.ucla.edu/dunn-3/

Yury Gogotsi

所属研究機関 ドレクセル大学(米国)
部門 Nanomaterials Group
役職 教授
URL http://nano.materials.drexel.edu/

研究者一覧

神谷 秀博(工学研究院・教授)、秋澤 淳(工学研究院・教授)、Pongsathorn Raksincharoensak(工学研究院・准教授)、Venture Gentiane (工学研究院・准教授)、玉光 賢次(客員教授)、岩間 悦郎(工学研究院・助教)、McMahon T. Reid(客員准教授)

研究概要

これまで世に無いエネルギー貯蔵に関する新しい概念の確立、および、キャパシタデバイス(エネルギーファシリテータ)の確立を目指した国際的な共同研究を推進する。WPIチャレンジ拠点チームは、国際共同研究を通して、現行キャパシタを遥かに凌駕する次世代のキャパシタプラットフォームの確立と国際的標準化を目指している。これにより確立されるキャパシタテクノロジーの波及効果は極めて広範囲に渡る。高齢化社会における介護ロボットや車いすの高効率化およびその普及、スマートモビリティー、小型EVカーシェアリングによる子育て世代の支援など、最終的には近未来都市スマートシティへと広がる。このような観点から早急に(日本の優位性があるうちに)産学官が連携して取り組むべき課題として、キャパシタ・フロンティア研究所構想は極めて意義深い。戦略的に取り組むにあたって、東京農工大学には優れた研究拠点が存在し、ナノテクノロジーを駆使した材料開発からデバイス設計、自動車やロボットにいたる応用まで連携した研究推進、人材育成、社会活動等の近未来社会に大きな貢献が期待される。

研究目的

再生エネルギー(再エネ)の有効利用(2030年再エネ利用率22-24%)を目指すには、再エネによる発電特性向上のみならず、発電、蓄電、送電のすべてにおいて、徹底的な高効率化をはかることが重要な鍵となる。我々のチームでは、あらゆるI-V特性の再エネ(太陽光・風力・マイクロ水力)を直接、かつ高効率で蓄電・給電を可能とする新概念のエネルギーファシリテータ(新世代スーパーキャパシタ)構築を目指す。
不安定で変動の激しい再エネ利用において、あらゆるI-V特性に対応可能なキャパシタをシステムの仲介役として、現行のパワコンや電池では回収仕切れないエネルギーを効率よく回収できる。例えば、太陽光発電においては、太陽光パネル(発電)とリチウムイオン電池(蓄電)の間に、キャパシタを導入することで、不安定な日照や天候不順に対応し、近年変動の激しい気候に対し常に一定の蓄電量を保証可能とするオールウェザー・オールシーズン・オールロケーション対応型の太陽発電を確立する。

研究計画

1.結晶内欠陥(陽イオン無秩序型)によるキャパシタ化 (Li3VO4, Li3V2(PO4)3)
① 陽イオン無秩序化を制御する手法を試み、最適化された材料創製の手法を確立する。
② シンクロトロンによるin-situ XRDやXAFS測定を用いてディスオーダー化を定量化し、電気化学特性 (高速化、サイクル安定性)との詳細な関連性を明らかにする。

2.結晶内欠陥(陽イオン欠損型)によるキャパシタ的挙動賦与の解明
① シンクロトロンによるHAXPES測定やin-situ XRD、XAFS測定を用いて、充放電サイクル過程における電解液分解物(SEIやPassivating film)と結晶構造変化を分析し、サイクル劣化要因を明らかにする。
② 陽イオン欠損が電子状態(熱力学的エネルギー準位分布)や電気化学特性(リチウムイオン拡散性、電気伝導性)に与える影響を解明する

3.高速高エネルギー型キャパシタ(スーパーレドックスキャパシタ:SRC)の構築
上記実験項目で創成し最適化させた電極材料を用いて、高速高エネルギー型キャパシタ “スーパーレドックスキャパシタ(SRC1:負極LVO//正極LVP、SRC2:負極YTOS//正極LVP)”構築を試みる。エネルギーファシリテータに求められる性能を有しているかどうかを検討し、最適化されたセル設計に繋げた高エネルギー密度型新型キャパシタを実現する。

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