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大容量グラフェンスーパーキャパシター

物質・材料研究機構

エネルギー・環境材料研究拠点

先進低次元ナノ材料グループ

グループリーダー 唐 捷

先端的低炭素化技術開発（ALCA)蓄電デバイス分野 新技術説明会平成28年10月6日

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グラフェンスーパーキャパシターの応用分野

CO2削減には、エネルギー効率がよく

ブレーキエネルギー回収率の高い電気自動車やハイブリッド車が求められる。これらの車には、高性能蓄電デバイスが必要である。主要な蓄電デバイスとして、リチウムイオン2次電池と電気二重層キャパシター(スーパーキャパシター)とがある。

電気自動車

走行距離:エネルギー密度急速充電: 出力密度

CO2削減 その他の応用●携帯電話用蓄電デバイス

●太陽電池用蓄電デバイスなどへの応用

●フォークリフト等の大出力用

●停電用非常用電源などの応用

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従来技術（リチウムイオン2次電池）とスーパーキャパシターの比較

リチウムイオン2次電池

電気二重層キャパシター(スーパーキャパシター：ＳＣ)

エネルギー密度

出力密度 備考安全性

リチウムイオン二次電池とその事故

大

大

小 課題あり

グラフェンとＣＮＴの積層構造で増大可能

安全

商業レベルですでに普及

一般のSCはエネルギー密度

が小

電気二重層キャパシター(スーパーキャパシター：ＳＣ)

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グラフェンはキャパシター性能を飛躍的に高める

グラフェンはキャパシター性能を飛躍的に向上させる新素材

●炭素原子1個の厚さ → 巨大な比表面積 → 高エネルギー密度

●高導電性 → 高出力密度

●ナノポアの形成 → 電解液イオンの吸着・浸透 → 高エネルギー密度

●グラファイトはグラフェンの積層体 → 低コスト量産化

グラフェンはキャパシターを高エネルギー密度化・高出力密度化・低コスト化を可能にする

グラファイト グラフェン ナノポア

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開発したグラフェン/ＣＮＴスーパーキャパシター技術の紹介

1. グラフェン電極化基盤技術開発

2. グラフェン電極最適化技術

3. グラファイトからの単層グラフェン低コスト量産化

4. 電解液の最適化

5. グラフェンキャパシターのスループロセス

6. グラフェンキャパシターの性能

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１．グラフェン電極化基盤技術開発

グラフェン表面反応を活かす電極構造開発

カーボンナノチューブをスペーサーとするグラフェン積層構造 電解液イオン吸着と流路のナノポア

グラフェン

カーボンナノチューブ

電解液イオン

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２．グラフェン電極最適化技術

グラフェン積層の横方向の構造にうねりが見られる。これはグラフェンのrippleによる。うねり

は電極反応を阻害するので特殊ロール矯正法により除いた。矯正により、充放電曲線の遅

れがなくなった。

グラフェン積層模式図

グラフェン積層上方向からの電顕写真

グラフェン積層横方向からの電顕写真と阻害となる空洞形成図

グラフェンのripple

矯正前後の充放電曲線

矯正性前

矯正後

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蓄電デバイス 主原材料コスト 寿命リチウムイオン電池 金属リチウム

6万円/kg6～10年、3500サイクル

グラフェンキャパシター 輸入グラファイト2百円/kg

10年以上、1万サイクル以上

グラフェンは低廉なグラファイトから低コストで量産できる。

表 グラフェンキャパシターのリチウムイオン電池との経済性の比較

高性能グラフェンの量産プロセス

グラフェン剥離とカーボンナノチューブスペーサー化の同時プロセス

グラファイトからの低コスト量産化

３．グラファイトからの単層グラフェン低コスト量産化

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４．電解液の最適化

イオン液体のMPPp-TFSIはMPPpについては反応はしない；TFSIは電極反応によりのS=Oの酸素を失い、電極に移り、C=Oを形成するが、安定である。

Voltage(V)

Ionic Liquids

SpecificCapacitance

(F/g)

Energy Density (Wh/kg)

4.5 MPPp-TFSI 314 216

キャパシター性能を左右するのは、電極材料・構造についで電解液である。安定で電極電圧を高くでき、エネルギー密度を大きくできるイオン液体を選定。イオン液体の中で、MPPp-TFSIの性能が高い。

4.5

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５．グラフェンキャパシターのスループロセス

グラフェン積層電極、イオン液体、セパレータ等をシステム化し、キャパシター試作、今までにない性能を得た。

エネルギー密度:262Wh/kg(電極重量ベース)

出力密度: 255kW/kg(電極重量ベース)

使用劣化が少ないなどの実用性が確認された

●重なりが2枚以下のグラフェン、●高密度に形成させたナノポア、●カーボンナノチューブ

スペーサーのグラフェン積層、●最適なイオン液体の選定、●最適なグラフェンキャパシターシステム構築、により、現時点で世界トップの性能を達成。

コインセルグラフェンキャパシター

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６．グラフェンキャパシターの性能

試作したグラフェンキャパシターの特徴●比較的高いエネルギー密度:262Wh/kg

(電極重量ベース) ●極めて高い出力密度:255kW/kg

(電極重量ベース) ●高速放電安定性●耐繰り返し劣化性

チャージ・ディスチャージ特性

繰り返し安定性高速放電でのキャパシタンス(電気容量)

3.0V

3.5V

3.7V

(電圧3.7V: エネルギー密度123Wh/kg, 出力密度255kW/kg)

5000回100% 10000回

94%

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試作したグラフェンキャパシター性能の比較

●グラフェンキャパシター研究は米国が最も進んでいる。米国のトップ機関(下表の上)と比較し、唐グループ(下表の下)は、キャパシタンス及びエネルギー密度とも優れている。

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大型グラフェン電極プロセスの開発

現在のラボないしはベンチスケールから実使用を目指して大面積グラフェン積層シート作製と性能評価を実施中

グラフェン積層シート片から大面積電極シート作製し、コイン及びラミネート型キャパシターで性能評価

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【参考】グラフェンキャパシターの他との比較

●現在の活性炭素キャパシターとの比較

実使用されている活性炭素電極のキャパシターは、比表面積増大のため、高密度に微細孔を形成させている、グラフェンの比表面積や導電性に比べ格段に低い。

●リチウムイオン2次電池との比較

リチウムは活性で燃えやすいため、電池の火災事故が絶えない。使用中だけでなく廃棄後の事故も絶えない。エネルギー密度は高いが、出力密度が低く、長時間充電を要し、寿命が短いなど、問題が多い。

●グラフェンキャパシターの特徴

性能が高く、安全、急速・非接触充電可能、長寿命、低コスト化可能、などの利点をもつ。

活性炭素の微細孔

リチウムイオン電池の事故

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：カーボンナノチューブ連結のグラフェンシートフィルムとその製造方法及びそれを用いたグラフェンシートキャパシター

• 登録番号 ：5747421• 出願人 ：物質・材料研究機構

• 発明者 ：唐捷 他

その他 関連特許12件保有（出願済み含む）

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グラフェンキャパシター開発の見通しが得られ、実用化の段階にある。

グラフェンスーパーキャパシターの材料、プロセス及びその実用化に関心のある企業を募集中（ＡＬＣＡへの参加または個別の共同研究）

企業への期待

当機構独自の研究成果により、グラフェン電極材料の量産化の開発(ハリマ化成との共同研究）

キャパシター電極の整粒・混合、電極膜の作製についての関連技術を持つ企業や、デバイス製品に興味のある企業との連携を希望(連携の形態についてはご相談させてください。

グラフェンスーパーキャパシタの応用に関心のあるパートナー募集中

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お問い合わせ先

科学技術振興機構

環境エネルギー研究開発推進部

ＴＥＬ ０３－３５１２ － ３５４３

ＦＡＸ ０３－３５１２ － ３５３３

e-mail alca＠jst.go.jp