雷蓄電から電気自動車への固体電子蓄電の開発東北大学未来科学技術共同研究センターエネルギ―安全国際科学研究センター客員教授早稲田大学ナノ理工学研究機構グリーンデバイス研究所奨励研究員福原幹夫 1 従来技術とその問題点既に実用化されているものには、１．電気化学的起電力法による湿式電池（二次電池、電解コンデンサー、燃料電池等）２．電気二重層利用による電気二重層キャパシター等があるが、１．電圧～4V、瞬間蓄電不可、Li等による発火、環境破壊問題、原料の地球的遍在２．電圧～4V、常温付近の使用温度、エネルギー密度低い等の問題があり、産業革命の足枷になっている。 2 新技術の特徴・従来技術との比較本発明は“物理的電池”であるため • 従来技術の問題点であった、軽量固体による瞬時充電を改良することに成功した。 • 従来は溶液使用の点で常温付近の使用に限られていたが、-200～+200℃まで性能が維持できたため、寒冷、高温地帯での使用も可能となった。耐電圧性も1,000 Vまである。 • 本技術の適用により、安価で低密度の健康金属が使用できるため、製品コストが1/2～1/3 程度まで削減されることが期待される。 3 想定される用途 • 本技術の特徴を生かすためには、弱電蓄電体製品に適用することで軽量携帯・長時間蓄電への発展が大きいと考えられる。 • 上記以外に、重電蓄電分野（例えば電気自動車等）への発展も期待される。 • また、達成された瞬時蓄電に着目すると、雷蓄電や送電線廃止といった分野やその応用分野に展開することも可能と思われる。 4 実用化に向けた課題 • 現在、乾式蓄電について瞬時蓄電が可能なところまで開発済み。しかし、積層化による巨大電気容量確認が未解決である。 • 今後、積層化について実験データを取得し、種々の弱電、強電分野に適用していく場合の条件設定を行っていく。 • 実用化に向けて、材料表面の精度をナノ― メートル寸法まで向上できるよう技術を確立する必要がある。 5 企業への期待 • 未解決の積層化については、MEMS(微小電気機械システム）の技術により克服できると考え、実際研究に着手している。 • 液晶製造の技術を持つ、企業との共同研究を希望。 • また、軽量携帯蓄電池を開発中の企業、次世代移動体分野への重電蓄電分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。 6 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：蓄電材料及び該蓄電材料を用いた電子部品出願番号特開2012-253321 出願人：東北大学発明者：福原幹夫 • 発明の名称：絶縁性の高比表面性を持つ蓄電材料及び該蓄電材料を用いたコンデンサー特願2013-208610 出願人、発明者：福原幹夫その他：配付資料に載せていない未公開特許がある 7 産学連携の経歴 • 2012年-2014年 JST ALCA 蓄電デバイス領域に採択 • 2015年-2016年 JST A-STEP シリーズ顕在化タイプに採択 8 お問い合わせ先東北大学産学連携推進本部事業推進部コーディネーター青田康典ＴＥＬ 022－217－ 6045 ＦＡＸ 022－217－ 6047 e-mail liaison＠rpip.tohoku.ac.jp 9 10 11 電気容量 ƐA C= d “物理的”「乾式蓄電池」アモルファス合金のナノトンネル d A 結晶では1 nm以下の制御限界 d を小さくする e: 誘電率（~ 300) １．クラスター間への水素強制嵌入原子孔への蓄電電極間と容量との関係３桁上昇電荷蓄電量を増大化させるには２桁減少 2．De-alloying Al Si 拡大図 Si-Al Fukuhara et al.,EuroPhys.Lett., 99, 47001 (2010) 3．陽極酸化によるナノポア Ni-Nb-Zr-H 系アモルファス合金 Fukuhara et al.,Appl. Phys. Lett., 96, 043103 Fukuhara et al., Phys. Stat. Sol. RRL,7, 477 (2013) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 ビデオで蓄電量の1分間の減衰を実証 22 研究の背景未来の電力貯蔵・応用システム直流方式交流方式太陽光宇宙送電水力風力原子力地熱潮力太陽電池実現できていないもの大型用途固体小型化・高蓄電化 _ ＋小バッテリー送電線の廃止・高蓄電化車で搬送蓄電基地次世代大・小容量蓄電コンデンサ送配電ネットワークスマートグリッド（次世代送電網）社会に貢献 _ ＋大バッテリー小型・軽量・携帯用途皮膚装着型バイオセンサ用グリーンイノベーション（低炭素化）対応船で搬送 24 埋め込み型臓器モニタリング用 24