東北大学は3月23日、セルロースナノファイバー(CNF)に蓄電効果があることを発見し、CNFの表面形状を制御したナノサイズの凹凸面を作り出すことにより、乾式で軽量のスーパーキャパシタ(完全固体物理蓄電体)の開発に成功したと発表した。
同成果は、東北大 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、同・長谷川史彦センター長、東北大大学院 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、日本製紙株式会社 研究開発本部CNF研究所の共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン総合学術誌「Scientific Reports」に掲載された。
太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーは、気象状況に左右されやすく、発電量を予測することが困難だ。現在のように発電した電気を送電線に直接流し込む方法では、ブラックアウトのリスクを高めるため得策ではなく、エネルギーの地産地消が望まれている。
そのためには、発電した電力を蓄えるバッテリーが重要だが、リチウムイオン電池をはじめとする現在の2次電池は電気エネルギーを直接蓄えることができない。化学エネルギーに変換するため瞬間的に大量の電気を蓄えることは原理的に不可能といった課題を抱えている。
CNFは木材の繊維をベースに作り出されることから生分解性があり、カーボン・ニュートラルの素材として期待されている。現在は、CFRPに含まれる炭素繊維のように、プラスチックの強度を向上させる強化材といった機械的な利用のほか、化学・医学分野への応用などの研究が進んでいる。
そうした中、今回の研究では、直接電気を蓄えるスーパーキャパシタへの応用が検討された。スーパーキャパシタは、蓄電機構として電気二重層が用いられており(今回の研究のものは固体/気体二重層)、比表面積が2000平方メートル/g以上であることを特徴とするキャパシタのことで、従来のキャパシタとは区別されている。
今回の研究では、平均3nm径のCNFを、スーパーキャパシタの電子吸着部分に採用。表面形状を制御したナノサイズの凹凸面を作り出すことに成功した。
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(左)CNF吸着体表面のナノ凹凸表面。(右)今回の研究で提案されたスーパーキャパシタ(完全固体物理蓄電体)の電子吸着モデル (出所:東北大プレスリリースPDF)
蓄電量は、物理的蓄電体の電子吸着モデルの凹凸径が小さければ小さいほど、電極間の距離のマイナス6乗則で作用する静電作用「ファンデルワールス力」で増大する。原理は現在の電気二重層キャパシタと同様だが、構成材料に電解液をまったく用いない全固体型のため、使用温度が広範囲で高電圧耐性(～400V)があるのが特徴だ。
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(左)400Vまでの10秒間充電結果とLED点灯の様子。(右)空中でのI-VおよびR-V特性-6.5V～+6.5V 間のクーロンギャップは空中からの充電が示されている (出所:東北大プレスリリースPDF)
特に、充電に長時間を要する従来の電気化学的電池と異なり、電圧短時間充電が可能となる。空中におけるI-VおよびR-V特性における-6.5V～+6.5V間の大きなクーロンギャップ、空中非接触原子間力顕微鏡における正負電荷負荷下の電子吸着、真空中の強力電子線照射(蓄電)によるC3-C6原子間収縮から、空中および真空中からの充放電の可能性もあるとしている。
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(左)原子間力顕微鏡による、空中非接触における正負電荷負荷下の電子蓄電。荷電圧が-20Vから+40Vに10分間で変化するとき、静電ポテンシャル分布のグラフは負の値に変移する。(右)真空中の電子放射(蓄電)によるC3-C6原子間収縮 (出所:東北大プレスリリースPDF)
そして蓄電発電機構として、アモルファスCNF分子構造中のCOONa官能基(カルボキシル基のナトリウム塩)近傍での電子状態出現も、正電荷誘起静電作用によるCNF表面での電子多量吸着に効果が確認されている。
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第一原理計算で導かれた、蓄電性発現に寄与するCOONa官能基近傍に生ずる電子状態の模式図 (出所:東北大プレスリリースPDF)
またナノサイズ径のCNFの使用により、電子吸着量が向上することが明らかとなり、蓄電大容量化も見えてきたことで、世界に先駆けた「ペーパーエレクトロニクス」の幕開けが期待されるとしている。
さらに、これらの特徴から「地球コンデンサ」による大気中からの大気電流蓄電も期待されるという。地球コンデンサとは、地上から高度50kmにわたって宇宙線イオン化作用によって作られる導電層において、大気上層部が正に、地表部が負に蓄電する天然のコンデンサのことをいう。なお通常時は、電気的中性が保たれているが、低気圧などによる入道雲の発生や火山噴火などによって電気的中性が破れ、絶縁破壊したときの現象が雷である。
