エネルギー情報材料学分野

教授
高村 仁
助教
及川 格

高度なエネルギー変換を実現する機能性材料などの開発を通じて、解決が急がれるエネルギー問題にアプローチ。

 

いかに短い時間で、大量に効率よく水素をつくるか ― 燃料電池の課題に応える。
エネルギー問題の解決に向けては、さまざまな方策やアプローチがありますが、鍵となる技術のひとつに「エネルギー効率の向上」が挙げられます。高村研究室は、高度なエネルギー変換をかなえる機能性材料とデバイス―それらの実現可能性を視野に置いた研究開発に取り組んでいます。
これからのエネルギーシステムとして家庭用燃料電池が注目されています。この発電効率の向上には、燃料電池自身の改良に加えて、高純度の水素をいかに大量に効率よく製造するかが重要です。現在は、メタンを主成分とする天然ガスに、高温の水蒸気を反応させてつくる水蒸気改質法(化石燃料から水素を取り出すことを改質と呼ぶ)が採用されていますが、起動時間が長いなどの課題がありました。高村研究室では、空気中の酸素とメタンを反応させる部分酸化改質法に着目。独自開発した「酸素透過性セラミックス」を組み上げた小型の水素製造器を開発しました。この透過膜は、セリウムを含むセラミックスを微細化・薄膜化することで、酸素をイオン化させる箇所を増やし、透過する速度を高める事に成功したもので、非常に高い酸素分離能力を有しています。もちろん起動性にも優れ、純酸素を利用することで従来と同じぐらいの改質効率が得られます。さらに、酸素分離膜は二酸化炭素排出量の削減に有効な酸素富化・純酸素燃焼への応用も期待されています。

固体の中をイオンが動く現象を、燃料電池の低温作動化に活かす。
燃料電池には数種の方式がありますが、ごく最近、家庭用として実用化されたタイプに「固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell ;SOFC)」があります。今後の開発目標としては、高いエネルギー変換効率を保ったまま、作動温度(現在は約750℃)を低下させることが掲げられています。高村研究室では、新しい固体電解質材料の開発を始め、SOFCの低温動作化に向けた試みを重ねています。こうした研究開発の礎となっているのは、固体の中をイオンが動く現象を科学する「固体イオニクス」であり、それに対する理解と知見が高村研究室の強みです。
また、超高圧・高温(6万気圧・1100℃)という環境下での、新材料の探索にも積極的に取り組んでいます。目指すは「水素エネルギー社会」を実現するための機能性材料の開発。環境低負荷、持続可能な社会に向けて、材料の新しい可能性を見出す挑戦を続けています。

Projects

新規リチウムイオン伝導体の探究と開発、そして応用

発火の危険性あり?! リチウム二次電池の安全性を担保する“固体電解質”。

リチウム二次電池模式図。充電すると、正極の中のリチウム化合物からリチウムイオンが分離され、電解質を移動して負極の中に貯蔵されます。放電時には、逆に負極からリチウムイオンが放出され、正極に移動し、元の化合物になります。この時、外部に電気エネルギーが供給されるという仕組みです。

イオンといえば電解質水溶液。でも“固体”の中をするすると動く不思議。

「イオン」「電解質」と聞いて、多くの人はスポーツドリンクを連想されるかもしれません。テレビコマーシャルでもお馴染みですね。イオンは主に電解質水溶液の中に存在しますが、実は、固体の中も移動することができるのです。この“ 固体イオニクス”現象を用いて、高性能で安全性の高いリチウム二次電池(※二次電池とは充電を繰り返して何度でも使える電池のこと)の開発に挑んでいるのが高村研究室です。
実は私たちの身の回りには、リチウム二次電池を利用した製品がたくさんあります。その代表的なものが、携帯電話・スマートフォン、タブレット型端末、ノートPC、デジタルカメラ・ビデオなどのポータブル機器です。最近ではハイブリッドカーにも搭載され始め、モーター出力の向上に役立っています。
リチウム二次電池は、高容量で小型軽量、充放電の繰り返しに強い、などの利点がありますが、電解質に水溶液を使うことができないため(電圧が水の分解電圧を大きく超えるため)、可燃性有機溶媒を含む電解質を利用しています。そのため発火等の危険性が排除できず、安全性の面でさらなる改善が求められていました。2013年1月、次世代中型ジェット旅客機で発生したバッテリー発火事故は、記憶に新しいところです。

相性が良いのはどれ?最適なリチウムイオン伝導体を突き止める!

リチウム二次電池の安全性の課題を解決する方法として、固体中を高速でイオンが伝導する固体電解質に期待が集まっています。つまり電解質として、有機溶媒の代わりにリチウムイオンが動ける“固体(リチウムイオン伝導体)”」を使うというわけです。
高村研究室では、リチウムイオン伝導体として水酸化ホウ素リチウム(LiBH4)を見出し、伝導性評価を行いました。LiBH4は強い還元性をもっており、水や大気に触れることは厳禁です。実験はすべてグローブボックスの中で行われました。その結果、115℃以上でリチウムイオン伝導度が急激に増加することを突き止めました。その強い還元性のため、リチウム二次電池への採用は必ずしも簡単ではありませんが、反面、還元性材料であるためにリチウム金属との相性に優れ、固体だけからなる二次電池が誕生する可能性があります。現在、高村研究室では性能・耐久性向上、室温稼働などの課題に向けて、(酸化反応を起こしにくい)正極材料や、リチウム輸送を妨げない保護材料の研究を推し進めています。
固体の中をイオンがするすると動く不思議―それは次代の二次電池をつくるキーテクノロジーなのです。

Topics

研究テーマ「ION」のユニフォームで参戦『松島マラソン』
駅伝大会の前哨戦として。

マテリアル・開発系では、毎年11月に研究室対抗の駅伝大会が開催されます。毎年上位チームに名を連ねているのが、高村研究室。もちろん結果の陰には、“努力”あり。大会の2か月前から週に3-4回、青葉山キャンパス周辺の10㎞を走り込んでいます。 その駅伝大会に向けた前哨戦(?)として有志が参加しているのが、「松島マラソン」。2012年はハーフに5名、10㎞に5名が参加。「アップダウンがきつかったものの、途中の私設エイドで地元の人から差し入れされるフルーツやチョコレート、そして沿道からの声援がとてもうれしかったです」と学生さん。もちろんゴールで待っていてくれる仲間たちの笑顔も。全員が無事完走、参加者に振る舞われる牡蠣汁を堪能しました。ユニフォームの「ION」は「イオンを勉強しているから」だそうで、向学心を携えての疾走となりました。

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