炭素-非水電解質界面の機能設計による高エネルギー密度キャパシタの構築

通过碳-非水电解质界面功能设计构建高能量密度电容器

基本信息

批准号：
21350101
负责人：
森田昌行
金额：
$ 10.82万
依托单位：
Yamaguchi University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2010
项目状态：
已结题

项目摘要

1. 炭素-非水電解質界面での静電容量の発現機構解析物質移動の影響を最小限にできる平滑表面を持つ炭素質電極を用い,有機溶媒電解液中での電気二重層容量を直流法と交流法を用いて評価した。電気化学水晶振動子(EQCM)を用いることにより,電極表面でのイオンおよび溶媒の吸脱着(集積・離散)挙動をモニターし,電気二重層容量の発現機構を明らかにした。電気二重層構造に関する古典的モデルにより容量挙動の主要部分は説明可能であったが,イオンおよび溶媒分子の吸着量はその大きさに制限され,二重層容量はそれらの序列に従い変化することを実証した。2. レドックス活性種による高表面積炭素の修飾効果比表面積の大きな活性炭に種々の方法で金属酸化物または導電性ポリマーを担持・複合化する方法について,その容量挙動に及ぼす効果を検証した。鉄酸化物は水溶液電解質中では大きな擬似容量を発現することはこれまで知られていたが,有機溶媒電解液およびイオン液体中でも容量発現に寄与することを明らかにした。電子伝導性を持つポリアニリンを修飾した高表面積炭素複合物では,その容量挙動は電解質組成に大きく依存して変化した。電解液の粘度が低いほど高い容量と良好なレート(充放電速度)特性を与える傾向にあったが,電解質のイオン種はポリアニリンの擬似容量の発現そのものにも影響することを明らかにした。3. 炭素表面における大容量化構造の設計これまで得られた知見をもとに,2種の炭素ベース材料について,その構造設計を行った。ソフトテンプレートと呼ばれる手法により細孔構造を制御した炭素を調製し,そのキャパシタ特性を評価した。ガス吸着法による比表面積は小さいものの,レート特性に優れたキャパシタ電極の開発につながる良好な特性が得られた。高温熱処理により黒鉛化する比較的比表面積の小さなソフトカーボンについては,電気化学的な処理により容量が著しく増大する現象(「電気化学活性化」という)を認めた。活性化過程に及ぼす電解液組成および分極条件を精査し,活性化の機構を明らかにするとともに,高い容量と優れたレート特性が得られる条件を確立した。

1. 碳-非水电解质界面电容发展机理的分析使用表面光滑的碳质电极，可以最大限度地减少传质的影响，采用直流法测量有机溶剂电解质中的双电层电容并采用AC法进行评价。通过使用电化学石英晶体单元（EQCM），我们监测了离子和溶剂在电极表面的吸附/解吸（积累/分散）行为，并阐明了双电层容量的机制。虽然容量行为的主要部分可以用双电层结构的经典模型来解释，但事实证明，离子和溶剂分子的吸附量受到其尺寸的限制，并且双电层容量根据它们的顺序而变化。做过。 2.氧化还原活性物质对高比表面积活性炭的改性效果我们研究了通过负载和复合金属氧化物或导电聚合物的各种方法对大比表面积活性炭容量行为的影响。众所周知，氧化铁在水性电解质中表现出大的赝电容，但现在已经表明，氧化铁也有助于有机溶剂电解质和离子液体中的容量发展。对于用电子导电聚苯胺改性的高表面积碳复合材料，电容行为根据电解质组成而发生很大变化。电解质的粘度越低，容量越高，倍率（充电和放电）特性越好，但据揭示，电解质的离子种类也影响聚苯胺本身的赝电容的表现。 3.碳表面高容量结构的设计根据迄今为止获得的知识，我们设计了两种碳基材料的结构。使用一种称为软模板的方法制备了具有受控孔隙结构的碳，并评估了其电容器性能。虽然气体吸附法的比表面积较小，但获得了良好的性能，这将有助于开发具有优异倍率特性的电容器电极。对于比表面积相对较小并通过高温热处理石墨化的软碳，我们观察到通过电化学处理（称为“电化学活化”）容量显着增加的现象。仔细研究了影响活化过程的电解质成分和极化条件，阐明了活化机理，并建立了获得高容量和优异倍率特性的条件。