Microsoft PowerPoint 唐修正提出ーJST新技術説明会.pptx

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けいしょういさし
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1 JST-ALCA 連携新技術説明会,JST 東京本部別館, 平成 27 年 2 24 グラフェンを利用した大容量高速充放電キャパシター物質材料研究機構先端材料プロセスユニット一次元ナノ材料グループグループリーダー唐捷

2 グラフェンを用いたキャパシターの特徴 * グラフェンの大きな比表面積及び高導電性を利用したグラフェンキャパシターはエネルギー密度及び出力密度を飛躍的に増大できる * キャパシターの自動車への応用の特徴 1) 高い加速性能 2) 実行電力が 100% 使える ( 電池は容量の 80% 程度まで ) 3) 無限寿命 ( 充放電回数 ) 急速充電 4) 制動エネルギーの回生に優れエネルギー効率が高まるラゴンプロット

3 低コストグラフェンキャパシターの実用性グラフェンはグラファイトから低コストで量産できる安全リチウムとは異なり安全であるので実用性市場性が高い高出力 * グラフェンキャパシターは出力密度の最高値が255kW/kg と高いので高出力を必要とする応用ハイブリッド車レーシングカーなどの蓄電器に適する * 電気自動車用とするにはエネルギー密度を現在の 194Wh/kgから300Wh/kg 程度とする必要があり現在開発を進めている

4 グラフェンとはグラフェンが積層されたものが黒鉛 ( グラファイト ) であるグラフェン低コストのグラフェンは黒鉛から化学的処理等により剥離して得られる炭素原子 1 個の厚さのグラフェンは弱いファンデルワース力により結合

5 グラフェンの特徴とキャパシター応用の利点 * グラフェンの特徴は下の表に示されるように比表面積が大きく高導電性である * グラフェンは比表面積がどの物質よりも大きいため電極に用いればエネルギー密度を大きくすることができる * 高導電性であるため出力密度を大きくすることができる * グラフェンはグラファイトから化学処理により作製されるため低コスト & 量産可能である * グラフェンの特性電極材料比表面積コストは現時点ではカーボン (m 2 /g) ナノチューブの1/200 以下 * グラフェンの利用には素材カーボンナノ作製から取り組む必要グラフェン導電性 (S/cm) 120~ ~10 5 チューブ活性炭素粉末 300~2200 >300

6 グラフェンの低コスト量産プロセスを開発グラファイト酸化グラフェングラフェン改良ハンマー法化学的還元グラファイトの層間の酸化物による膨張により酸化グラフェンを剥離ヒドラジンにより還元してグラフェンを作製剥離性導電性がよく親溶液性のグラフェンの作製に成功

7 グラフェンの重なり枚数を 2 枚程度とすることに成功

8 電極用のグラフェン積層を開発グラフェン表面の電極反応のため電解液イオンがグラフェン間に流出入可能とするためカーボンナノチューブ (CNT) をスペーサーとする

9 電極用グラフェン積層の構造

10 グラフェン積層を用いたコインセルキャパシター * 写真に示すグラフェン積層を含む溶液をスピンコート法によりシート化し重ね合わせて電極を作製した * 電解液にはイオン液体を用い下図に示すコインセルキャパシターを作製しキャパシター性能を調べたグラフェン積層の電顕写真カーボンナノチューブがグラフェン積層スペーサー及び結合の役割実験用グラフェンコインセルキャパシターの構成図

11 グラフェンキャパシター性能例 1 チャージディスチャージ特性高速放電でのキャパシタンス 3.0V 3.5V 3.7V 電圧 3.7V における特性エネルギー密度 : 123Wh/kg 出力密度 : 255kW/kg 電流密度が増えてもキャパシタンスは維持される

12 試作したグラフェンキャパシターの性能例 Potential (V) V F/g 3.5V F/g 190mA/g 4.0V F/g 5000 回 100% 回 94% Time (s) チャージディスチャージ特性繰り返し安定性 *4.0V ではエネルギー密度 194Wh/kg, 出力密度 163kW/kg を示すがレドックス反応が見られる * 繰り返し寿命が優れ回繰り返し後も劣化は少ない

13 グラフェンキャパシターの世界の研究現状 Materials Year Voltage (V) Specific capacitance (F/g) Energy density (Wh/kg) Power density (kw/kg) Lifespan (Cycles) Ref. Chemical reduced graphene (1M BMIMBF 4 /AN) Meryl D et al, Nano Letters, 2008, 8: 3498 Cited: 2557 Chemical reduced graphene F/g (6M KOH) Curved graphene F/g (EMIMBF 4 ) Activated graphene F/g (EMITFSI) Wang et al, J. Phys. Chem. C 2009, 113: Cited: 786 Liu et al, Nano Letters. 2010, 10: 4863 Cited: 569 Zhu et al, Science, 2011, 332: 6037 Cited: 856 Laser reued graphene oxide Graphene carbon nanotube composite materials Co-reduced graphene carbon nanotube composite materials F/g (EMIMBF 4 ) Our Group F/g (EMITFSI) F/g (EMITFSI) EI-Kady et al, Science, 2012, 335: 6074 Cited: 383 Cheng et al, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13: Cited: 96 Zhang et al, Chemical Physics Letters, 2013, 584: 124

14 開発したグラフェンキャパシターと蓄電池等との比較 ( 活性炭 ) 開発したグラフェンキャパシターのエネルギー密度はリチウムイオン電池に次ぐが出力密度は圧倒的に大きいエネルギー密度の性能アップ (300Wh/kg) を進めている

15 グラフェンキャパシター実用化に向けた現在の研究 * グラフェン積層体溶液 (1 リットル ) の作製保存技術の確立 * グラフェン /CNT シートの作製幅 15cm 長さ 50cm 以上体積エネルギー密度を大とする * キャパシターシステム構成の確立 *1kWh のベンチスケールキャパシターの設計試作 * ベンチスケールキャパシターの性能確認 * 高出力密度キャパシターの応用の検討スマートグリッド自然エネルギー用などグラフェン /CNT シートのイメージ

16 想定される用途 * 高出力密度 (200kW/kg) 高エネルギー密度 (150Wh/kg) グラフェンキャパシターはハイブリッド車レーシングカークレーン車スマートグリッドなどの蓄電器に最適である * 高エネルギー密度 (300Wh/kg) グラフェンキャパシターは電気自動車用として開発を進めている航続距離 200km 充電時間数分を目指している * 高出力密度 (200kW/kg) 小型グラフェンキャパシターは短時間充電 (5 分程度 ) で長期間使用できるためモバイル蓄電器等に最適である * グラフェンはグラファイトから化学的処理により量産するため低コストでありキャパシターは安全で長時間繰り返し使用可能である

100kW/kg の組み合わせは長航続距離と短時間充電ブレーキエネルギーの回収に優れ都市型自動車に最適燃料電池車 ( トヨタ MIRAI) *

17 グラフェンキャパシター応用の検討高エネルギー密度グラフェンキャパシタ高出力密度グラフェンキャパシタ電気自動車 ( 日産リーフ ) * エネルギー密度 300Wh/kg を達成して電気自動車グラフェンキャパシターとする ( 現在 194Wh/kg) * エネルギー密度 300Wh/kg と出力密度 100kW/kg の組み合わせは長航続距離と短時間充電ブレーキエネルギーの回収に優れ都市型自動車に最適燃料電池車 ( トヨタ MIRAI) * 出力密度 200kW/kg を達成しており大出力密度キャパシターの応用として燃料電池車 F1 車スマートグリッド補助電源などを検討 * 耐久性劣化が少なく汎用性に優れる

18 グラフェンキャパシターの電気自動車応用による温室効果ガス削減 * エネルギー密度 300Wh/kg 達成できれば走行距離 200km 充電時間は数分となり電気自動車の普及可能となる * 電気自動車の普及により CO2 排出量を 0.8 億トン削減 * ブレーキエネルギー回収は 90% 以上 CO2 削減効果は 30% とみこまれるリチウムイオン電池のエネルギー回収率は 16.6% 以下電極材料グラフェンキャパシターの性能グラフェンキャパシター ( 電極重量 ) 活性炭素粉末電極 ( セル重量 ) リチウムイオン二次電池 ( セル重量 ) エネルギー密度 (Wh/kg) 出力密度 (kw/kg) CO2 削減計算根拠算出根拠項目ガソリン車のCO2 排出量 ( 環境省 ) 電気自動車のCO2 排出量発電に伴うCO2 排出量 ( 東電 ) 電力消費量 ( 三菱 i-miev) 自動車保有台数年間 CO2 排出量用いた値 95~97g/km 47.6g/km 0.38kg/kWh 0.125Wh/km 8 千万台 2 トン /1 台

19 実用化に向けた課題 * 高出力密度キャパシターについては実験室レベルでは基本技術をクリアーしており具体的な応用を決め基本設計に基づき大型化と量産化のための技術開発が課題となる * 電気自動車用等の高エネルギー密度グラフェンキャパシターについてはエネルギー密度を現在の 194Wh/kg を 300Wh/kg に高性能化させる必要がある並行して大型化と量産化が課題となる * 共通的課題としてキャパシターようの質の高いグラフェンの低コスト量産プロセスの確立が必要となる

20 企業への期待 * グラフェンキャパシターの出力密度 200kW/kg 以上の応用については基本技術は開発済みなので大型化生産技術応用化開発について企業と共同開発を希望 * 電気自動車用の 300Wh/kg のグラフェンキャパシターについてはまだ研究開発中であるのでグラフェンキャパシター研究開発は当方で引き続き行い大型化及び応用化研究を企業に分担していただく共同研究開発を希望 * エネルギー密度 (150Wh/kg) 出力密度 (200kW/kg) は達しているのでこれらの応用実用化には本技術の導入が有効で共同開発を希望

21 グラフェンキャパシターに関する唐グループ特許 1) 水熱生成グラフェン /CNT 複合体エアロゲルの作成方法水熱生成グラフェン /CNT 複合体エアロゲル及び UA DA AA 分離検出電極特願年 10 月 17 日 ; 2) 板状金属水酸化物含有シート状電極その製造方法及び板状金属水酸化物含有キャパシター特願年 7 月 26 日 3) Co(OH) 2 垂直配向グラフェン /CNT 複合体その製造方法 Co(OH) 2 垂直配向グラフェン / CNT 複合体電極及び Co(OH) 2 垂直配向グラフェン /CNT 複合体キャパシター特願年 7 月 17 日 4) グラフェン球状中空体の作成方法グラフェン球状中空体及びグラフェン球状中空体集積キャパシター特願年 5 月 16 日 5) 剥離グラフェンの製造方法特願出願日 :2013 年 3 月 8 日 6) グラフェン超薄片その作製装置作製方法グラフェン超薄片キャパシター及びそのキャパシター作製方法特願年 10 月 24 日 7) グラフェン電極フィルムその製造方法及びグラフェンキャパシター特願年 9 月 5 日 8) 部分還元グラフェン階層体 - 連結体その製造方法その含有粉末及びフィルム特願年 9 月 5 日 9) 薄層黒鉛または薄層黒鉛化合物の製造方法特願出願日 :2012 年 7 月 3 日 10) グラフェンシート集積体その製造方法及びグラフェンシートキャパシター PCT-JP 年 11 月 30 日

22 産学連携の経歴 2011 年現在 :JST ALCA 研究開発課題に応募しグラフェンの特異性とナノ積層による 300Wh/kg キャパシターが採択され研究開発実施中 2011 年 2012 年 : 上記課題で筑波大学とグラフェンナノ構造について共同研究実施 2011 年現在 : 上記課題でハリマ化成株式会社とキャパシター用グラフェン開発で共同研究実施中

23 お問い合わせ先独立行政法人物質材料研究機構先端材料プロセスユニット一次元材料グループグループリーダー唐捷 TEL FAX tang.jie@nima.go.jp

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