廃棄物からの革新的なスーパーキャパシタ材料

水筒、卵、麻、セメントの共通点は何ですか?これらは、スーパーキャパシタと呼ばれる、奇妙だが機能的なエネルギー貯蔵デバイスに加工することができます。

その名前が示すように、スーパーキャパシタは、より大きな容量を備えたコンデンサのようなものです。電池と同様に、大量のエネルギーを蓄えることができますが、コンデンサと同様に急速に充電または放電することもできます。これらは通常、工場やデータセンターのほぼ瞬時のバックアップ電力など、大量の電力が短時間かつ限られた時間に必要とされる場所で使用されます。

通常、スーパーキャパシタは、2 つの活性炭またはグラフェン電極、システムにイオンを導入する電解質、および電極を物理的に分離するポリマーまたはガラス繊維の多孔質シートで構成されます。スーパーキャパシタが完全に充電されると、すべての正イオンが分離シートの片面に集まり、すべての負イオンがもう一方の面に集まります。放電すると、イオンはランダムに分布し、バッテリーよりもはるかに速くこれらの状態間を切り替えることができます。

一部の科学者は、スーパーキャパシタは次のようなものになる可能性があると信じています。 もっと 素晴らしい。彼らは、これらのデバイスをより持続可能かつ低コストで製造できる可能性があり、より良い材料で作られればさらに性能が向上する可能性があると考えています。

そしておそらく彼らは正しい。先月、ミシガン工科大学のグループは、市販のものよりも静電容量が高いスーパーキャパシタをペットボトルから製造したと報告した。

この発見は、リサイクルされたプラスチックのスーパーキャパシタが間もなくあらゆる場所に普及することを意味するのでしょうか?同様のスーパーキャパシタの持続可能性実験の歴史は、そうではないことを示唆しています。

15 年ほど前、スーパーキャパシタの需要が高まるように思われました。その後、リチウムイオン技術への巨額投資のせいで、バッテリーは厳しい競争になったと、フィラデルフィアのドレクセル大学でエネルギー貯蔵デバイスの材料を研究しているユーリー・ゴゴツィ氏は説明する。 「スーパーキャパシタは非常に安価になり、エネルギー供給が非常に速くなったため、スーパーキャパシタの応用範囲はより限定されました」と彼は言います。 「基本的に、トレンドは、電池をより安く入手できるようにすることから、リチウムイオン電池ができない場所で性能を発揮させることに移行しました。」

それでも、一部の研究者は、環境に優しいデバイスが市場に存在することに期待を抱いています。ミシガン工科大学チームの材料科学者であるユン・ハン・フー氏は、「商業化への有望な道」を見ている。 [for the water-bottle-derived supercapacitor] 収集と処理の課題が解決されれば」と彼は言う。

科学者が奇妙で予想外の材料を使ってスーパーキャパシタを作る方法は次のとおりです。

ウォーターボトル

古いポーランド スプリングのボトルは、いつか水の代わりにエネルギーを蓄えることができることがわかりました。先月の日記に エネルギーと燃料、ミシガン工科大学のチームは、使い捨てペットボトルの材料であるポリエチレンテレフタレート（PET）を電極とセパレーターの両方に変換する新しい方法を発表しました。

奇妙に思えるかもしれないが、このプロセスは「既存の PET サプライチェーンに乗ることのできる循環型エネルギー貯蔵の実用的な青写真」だと胡氏は言う。

電極を作るために、研究者らはまずボトルを2ミリメートルの粒に細断し、次に粉末の水酸化カルシウムを加えた。混合物を真空中で 700 °C まで 3 時間加熱し、導電性炭素粉末が残りました。残留カルシウムを除去し、炭素を活性化（表面積を増やす）した後、粉末を薄い層に成形し、電極として使用することができます。

セパレーターの製造プロセスはそれほど集中的ではありませんでした。チームはボトルを米国 4 分の 1 または 1 ユーロ硬貨ほどの大きさの正方形に切り、熱い針を使って穴を開けました。彼らは、専用のソフトウェアを使用して、電流を流すための穴のパターンを最適化しました。 PET は「優れた機械的強度、高い熱安定性、優れた絶縁性」を備えているため、セパレーターに適した材料であると胡氏は述べています。

電解質溶液を充填して得られたスーパーキャパシタは、環境と経済に優しい材料使用の可能性を実証しただけでなく、ある指標で従来の材料をわずかに上回りました。 PET デバイスの静電容量は 197.2 ファラド/グラムでしたが、ガラス繊維セパレーターを備えた類似のデバイスの静電容量は 190.3 ファラド/グラムでした。

卵

待って、朝食のサンドイッチはまだ作らないでください。代わりに、材料の 1 つからスーパーキャパシタを設計することもできます。 2019年、バージニア大学のチームは、電極、電解質、セパレーターがすべて単一の物体、つまり卵の一部から作成できることを示した。

まず、スーパーで鶏卵を購入し、その部分を卵の殻、卵殻膜、白身と黄身に分けました。

殻をすりつぶして粉末にし、卵白と卵黄と混ぜます。スラリーを凍結乾燥し、950℃まで1時間加熱して分解しました。カルシウムを除去する洗浄プロセスの後、チームは残りの炭素を活性化するために熱とカリウム処理を実行しました。次に、卵由来の活性炭を電極として使用するフィルムに平滑化しました。最後に、卵白と卵黄を水酸化カリウムと混合し、数時間乾燥させることによって、一種のゲル電解質を形成しました。

セパレーターを作るために、グループは卵殻膜を洗浄するだけでした。膜にはもともとマイクロメートルサイズの繊維が織り込まれているため、その固有の構造により、製造されたセパレーターと同じようにイオンが膜を横切って移動できます。

興味深いことに、結果として得られた完全卵ベースのスーパーキャパシタは柔軟性があり、デバイスがねじれたり曲がったりしても静電容量は安定していました。 5,000 サイクル後、スーパーキャパシタは元の静電容量の 80% を保持しました。これは市販のスーパーキャパシタと比較すると低いですが、天然素材で作られた他のスーパーキャパシタとほぼ同等でした。

麻

より医療目的で大麻を好む人もいるかもしれませんが、エネルギー貯蔵の可能性も秘めています。 2024年、トゥルキエのオンドクズ・マイス大学のグループは、ザクロ麻植物を使用して電極用の活性炭を製造しました。

彼らはまず、麻の茎を 110 °C のオーブンで 1 日乾燥させ、次に茎を粉砕して粉末にしました。次に、硫酸と熱を加えてバイオ炭を作成し、最後に水酸化カリウムで飽和させて再度加熱することで炭を活性化しました。

2,000サイクル後も、麻由来の電極を備えたスーパーキャパシタは元の静電容量の98パーセントを維持しており、これは驚くべきことに、非生物材料で作られたものの範囲内にあります。炭素自体のエネルギー密度は 1 キログラムあたり 65 ワット時で、これも市販のスーパーキャパシタと一致しています。

セメント

セメントは建設業界に影響を与えるかもしれないが、エネルギー部門にもセメントが登場するのだろうか？ 2023 年、MIT のグループは、水、ほぼ純粋な炭素、セメントから電極を設計した方法を共有しました。これらの材料を使用すると、親水性セメントと疎水性炭素の間に「相乗効果」が生まれ、スーパーキャパシタの充電時に電極がイオン層を保持する能力が促進されるという。

仮説を検証するために、チームは 3 つの成分のわずかに異なる割合、異なる種類の炭素、および異なる電極の厚さを使用して 8 つの電極を作成しました。電極は電解質である塩化カリウムで飽和され、静電容量の測定が始まりました。

印象的なことに、セメント スーパーキャパシタは 10,000 サイクル後でもほとんど損失なく静電容量を維持できました。研究者らはまた、スーパーキャパシタの 1 つで約 10 キロワット時を蓄えることができると計算しました。これは、平均的なアメリカ人の 1 日のエネルギー使用量の約 3 分の 1 に相当しますが、この数字は理論上のものにすぎません。