Yosuke Koga
従来のバッテリーに比べて充電時間が格段に短く、そして大量の電気を一気に放出可能な「次世代のバッテリー」の事です。
我々の暮らしは、ますます電源から切り離され、個々の電化製品はバッテリーを搭載している事が普通になってきました。
そこでバッテリーに求められるのは、より小型で大容量、しかもパワフルで長寿命かつ安価で環境負荷が小さいという、それぞれが矛盾している要求を同時に満たす事です。
現在はリチウムイオンバッテリーが主力ですが、こうした厳しい要求に応える次世代の電源としてスーパーキャパシタは期待を集めています。
後半は少々難解かもしれませんが、受験の頃を思い出して、調べながら読んでみてください。
バッテリー業界が注目、ヘンプが電池に？
我々の文明は何世紀にもわたってヘンプを衣服、布、紙などの原料として頼ってきました。今日では食品、燃料、医薬品、建築材料、プラスチックにも使用されています。
そして現在、ヘンプベースのカーボン・ナノシートから作られた電極を備えたスーパーキャパシターが標準のスーパーキャパシターを200％近く上回っていることを示すカナダの新しい研究によって、バッテリー業界はヘンプに注目し始めています。
カーボンナノ材料であるグラフェンは、スーパーキャパシタの電極に最適な材料の1つと考えられています。
1グラム2,000ドルが1トン500ドルに！？
ただし、グラフェンは製造コストが高く、1グラムあたり2,000ドルもかかります。そのため、アルバータ大学 / 国立ナノテクノロジー研究所（NINT）NRCの研究者と、David Mitlin化学 / 材料工学教授を中心とするAlberta Innovates-Technology Futuresは、低コストの代替物質を研究し、繊維状ヘンプ廃棄物をグラフェンよりも優れたナノ材料に変換する方法を開発しました。
なんと、この素材は1トンあたり500ドル未満で製造できるのです。
「私たちは、グラフェンと同等品質の材料を、非常に安価で大量生産可能な製造方法の扉を開きます。これは、これまで達成されたことのないことです」とミトリン教授は述べました。
商用電極17 kW / kgの約3倍の供給が可能
活性炭、テンプレートカーボン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェンはすべて、スーパーキャパシタ電極の材料として集中的に研究されてきました。
しかし高い製造コストはひとつの問題で、また別の問題は、これらの炭素の多くは出力特性が制限されていることです。これは、微細な多孔性の結果であり、イオン輸送の制限が増大します。「多孔質電極で高出力を達成する鍵は、イオン輸送の制限を緩和することであることが分かってきました」とミトリン教授は言います。
「グラフェンとそのハイブリッドに基づいたナノ材料は、有望な高速電極の新しい候補として登場しました。しかし、農業廃棄物の熱分解やコークスに由来する活性炭と比較すると、製造するには高価すぎるのです。」
主にセルロースとリグニンの副産物を含むバイオマスは、活性炭を製造するための原料として広く利用されています。
ミトリン教授は、ヘンプ靱皮繊維のユニークな細胞構造をテストして、グラフェンのようなカーボンナノシートを生成できるかどうかを確認することにしました。
ヘンプ繊維の廃棄物を180°Cで24時間加圧処理（水熱合成）し、得られた炭化物を水酸化カリウムで処理した後、800℃もの高温に加熱して、独特の構造のナノシートを形成しました。
この材料の試験により、材料1 kgあたり49 kWの電力が放出されることが明らかになりました。これは、標準の商用電極が供給できる17 kW / kgのほぼ3倍です。
有望な結果
ミトリン教授と彼のチームは、最先端のグラフェンベースの電極に匹敵する優れた電気化学的貯蔵特性を備え、相互に接続された二次元カーボンナノシートの合成に成功しました。
「ユニークな構造のバイオマス前駆体としてヘンプの靱皮繊維を使用することで、これを達成できました」とミトリン教授は言います。
「得られたグラフェンのようなナノシートは、従来のバイオマス由来の活性炭と比較して、孔径分布、物理的相互接続性、電気伝導率など、根本的に異なる特性を持っています。」
ナノシートの厚さは10〜30 nmで、比表面積が大きい（> 2200 m2 g-1）メソポーラス度が大きく（最大58％）、導電率が良好（211-226 S m-1）でした。
ミトリン教授はこの研究で、ナノシートが約0〜100℃のさまざまなイオン液体ベースのスーパーキャパシタ用途に適合していることを示しています。
「0℃、10 A g-1の電流密度では、電極は106 F g-1の顕著な静電容量を維持します。
20、60、および100°Cにおける、100 A g-1の極端な電流密度では、優れた静電容量保持率（72％-92％）があります。
これらの特性は、電気化学キャパシタとしてこれまでに報告された中でも最高の電力エネルギー特性です。20 kW kg-1と20、60、および100°Cという非常に高い電力密度では、エネルギー密度はそれぞれ19、34、および40 Wh kg-1です。」
完成したスーパーキャパシタ・デバイスは、12 Wh kg-1の最大エネルギー密度をもたらしました。これは、市販のスーパーキャパシタのエネルギー密度よりも大幅に高いものです。ヘンプ靭皮繊維前駆体の複雑な多層構造を利用することにより、これらの高性能カーボンは、単純な水熱炭化と活性化によって作成されました。
「この材料がスーパーキャパシター電極として、これほど良好に機能して大変嬉しいです」とミトリン教授は言います。 「この新しい前駆体合成法は、エネルギー貯蔵、携帯用電子機器、無停電電源、医療機器、そしてハイブリッド車などの、様々な用途向けの高性能炭素の容易な大規模生産の大きな可能性を示しているのです。」
引用元：https://www.asme.org/topics-resources/content/hemp-carbon-makes-supercapacitors-superfast
