エネルギーを蓄えて放出する電気機器であるスーパーキャパシタには、電解質の層が必要です。電解質とは、固体、液体、またはその中間の性質をもつ導電性材料のことです。このたび、MIT とその他数機関の研究者らが、可燃性を低減しつつ、こうした機器の効率と安定性を向上させる新たな可能性を開く可能性のある、新種の液体群を開発しました。
「この概念実証の研究は、電気化学的エネルギー貯蔵における新たなパラダイムを示すものです」と、研究者らは本日刊行の学術誌「Nature Materials」に掲載された、この発見を説明する論文の中で述べています。
数十年にわたり、研究者らはイオン液体として知られる一群の材料、すなわち実質的には液体の塩について認識してきましたが、今回のチームは、油流出事故の分散に用いられるものに類似した界面活性剤様の化合物を、これらの液体に加えました。この材料の添加により、イオン液体は「非常に新しく、奇妙な特性」を示すようになり、高い粘性を帯びるようになったと、論文の筆頭著者であり MIT のポスドク研究員である Xianwen Mao（2014年博士号取得）は述べています。
「この粘性のある液体がエネルギー貯蔵に使えるとは想像しがたいことです」と Mao は述べます。「しかし、いったん温度を上げると、より多くのエネルギーを蓄えられ、その量は他の多くの電解質を上回ることがわかりました」
Mao によれば、これは完全に予想外というわけではありません。他のイオン液体では、温度が上がると「粘性は低下し、エネルギー貯蔵容量は増加する」からです。しかし今回の場合、粘性は既知の他の電解質より高いままであるにもかかわらず、温度上昇とともに容量が非常に速く増加します。その結果、この材料は全体として、一定の体積あたりに電気を蓄える能力を示す指標であるエネルギー密度が、従来の電解質の多くを上回り、さらに安定性と安全性も高まっています。
その効果の鍵は、液体内の分子が自動的に整列し、金属電極表面上で層状の配置をとる仕組みにあります。分子は一端に一種の尾部を持ち、頭部は電極に向かって、または電極から離れる方向に外向きに並び、尾部はすべて中央に集まって、一種のサンドイッチ状の構造を形成します。これは自己組織化したナノ構造と呼ばれています。
従来の電解質と「これほど異なる振る舞いを示す」理由は、スーパーキャパシタ内部の電極のように、他の材料と接触する際に分子が本質的に自らを秩序だった層状構造へと組み上げる仕組みにあると、MIT の化学工学教授で、論文の責任著者である T. Alan Hatton は述べています。「非常に興味深い、サンドイッチ状の電気二重層構造が形成されるのです」
この高度に秩序化された構造は、他のイオン液体で生じうる「過遮蔽（オーバースクリーニング）」と呼ばれる現象の防止に役立ちます。これは、電極表面に集まる最初のイオン層（電荷を帯びた原子または分子）に、表面上の対応する電荷数より多くのイオンが含まれる現象です。その結果、イオンがより散在して分布したり、イオンの多層膜が厚くなったりし、エネルギー貯蔵の効率が低下することがあります。「一方、私たちの場合は、すべてが構造化されているため、電荷は表面層に集中します」と Hatton は述べています。
研究者らが表面活性イオン液体（SAIL）と呼ぶこの新しい材料群は、高温でのエネルギー貯蔵に多様な用途をもつ可能性があると、Mao は述べています。たとえば、石油掘削や化学プラントなど、高温環境での使用が考えられます。「当社の電解質は高温でも非常に安全で、さらに性能も向上します」と彼は述べています。対照的に、リチウムイオン電池に使用されている一部の電解質は非常に可燃性が高いとのことです。
この材料は、スーパーキャパシタの性能向上に役立つ可能性がある、と Mao は述べています。こうした機器は電荷を蓄えるために使用され、電気自動車において電力を追加で高めるため、電池システムを補完する目的で使われることもあります。従来の電解質の代わりに新材料をスーパーキャパシタに用いると、そのエネルギー密度を4〜5倍に高められる可能性があると、Mao は述べています。新しい電解質を用いれば、将来のスーパーキャパシタは電池より多くのエネルギーを蓄えられるようになる可能性さえあり、電気自動車、個人向け電子機器、あるいは系統規模のエネルギー貯蔵施設といった用途で、電池を置き換えることも考えられると彼は述べています。
この材料は、新たに登場しつつある多様な分離プロセスにも有用である可能性があると、Mao は述べています。「新たに開発された多くの分離プロセスは、電気的な制御を必要とします」。たとえば、さまざまな化学処理・精製用途や二酸化炭素回収、さらには廃棄物流からの資源回収などです。これらのイオン液体は導電性が高いため、こうした多くの用途に適している可能性があると彼は述べています。
研究チームが当初開発した材料は、多様な SAIL 化合物の可能性のうちの一例にすぎません。「可能性はほぼ無限にあります」と Mao は述べています。チームは今後も、さまざまな変種の開発と、特定の用途に向けたパラメータの最適化に取り組む予定です。「数か月から数年かかるかもしれません」と彼は述べます。「しかし、新しい材料群に取り組むことは非常にやりがいがあります。さらなる最適化の可能性は数多くあります」
研究チームには、MIT の Paul Brown、Yinying Ren、Agilio Padua、Margarida Costa Gomes、フランス・リヨン高等師範学校の Ctirad Cervinka、英国・ブリストル大学の Gavin Hazell と Julian Eastoe、西オーストラリア大学の Hua Li と Rob Atkin、そしてフランス・グルノーブルのラウエ・ランジュバン研究所の Isabelle Grillo が参加しました。研究者らは、最近逝去した Grillo の追悼のために本論文を捧げています。
「両親和性の構造をもつ表面活性イオン液体（SAIL）が電極表面上で自己組織化し、帯電表面での電荷貯蔵性能を高めうるということは、非常に刺激的な成果です」と、本研究には関与していないスタンフォード大学の材料科学・工学教授である Yi Cui は述べています。「著者らはそのメカニズムを検討し、理解しています。本研究は高エネルギー密度スーパーキャパシタの設計に大きな影響を与える可能性があり、電池性能の向上にも役立つかもしれません」と彼は述べています。
本研究には関与していないコーネル大学の Tisch University Professor である Nicholas Abbott は、「本論文は界面電荷貯蔵における非常に巧妙な進歩を示しており、界面における分子自己組織化の知見が、現代の技術的課題の解決にどのように活用できるかを見事に示しています」と述べています。
本研究は、MIT エネルギー・イニシアティブ、MIT Skoltech フェローシップ、およびチェコ科学財団の支援を受けました。
