酸化チタンと導電性高分子を用いた光で充電できる …南九州発...

南九州発　新技術説明会　2008 11/13

酸化チタンと導電性高分子を用いた光で充電できる蓄電池（光蓄電池）

Photo-Rechargeable Battery (PRB)

using titanium dioxide and conductive polymer

鹿児島大学　工学部　電気電子工学科助教　野見山　輝明

南九州発　新技術説明会　2008 11/13　@ JSTホール　東京市ヶ谷

本技術の知的財産権と問合わせ先 2

■ 問合せ先　鹿児島大学　産学官連携推進機構　産学官連携部門　中　武　貞　文　Tel： 099-285-8492 Fax:　099-285-8495　Mail : [email protected]

■ 本件に関する知的財産権● 出願特許 1　←本発表の主たる内容　発明の名称：光蓄電池電極，その製造方法及び光蓄電池　出願番号：特願2007-08211　出願人：国立大学法人　鹿児島大学　発明者：鹿児島大学工学部　野見山輝明，堀江雄二● 出願特許 2 　←本発表では非公開


光蓄電池とは？ 3

光で充電できる蓄電池 ⇒ 光蓄電池

太陽電池＋蓄電池

Discharge

On demand

photon

Photo-Charging

１つのデバイスで

光電変換と蓄電

Self charge

Film

想定用途小型電子機器の配線や充電が不用な電源


pmax

Attenuationby

fluctuationand so on

pavrPhotonicenergy

Electricenergy

Chemicalenergy

Electricenergy

pout

!ph-el !el-ch !ch-el

A Cell of PRB

photo-acceptance surface area : S cm2

!e!

TworkTir

!PRB

! Twork

0

pout(t!) dt!S

! Tir

0

pir(t) dt

(光蓄電池)

太陽光エネルギー利用：従来技術 vs. 光蓄電池 4

100 mW cm-2 地表（AM1.5）直射

10 mW cm-2 実質平均

0.5 mW cm-2

太陽電池(10%)+蓄電池(50%)光蓄電効率(ηPRB)=5%

従来技術

我々の光蓄電池では，光蓄電効率0.05%(紫外光域光充電)　→ 電極微細構造の最適化で効率を向上させる（後述）


想定される用途：我々の提案 5

効率向上はもちろん必要であるが....　→ 太陽電池と蓄電池を一体化した光蓄電池の　　ポータビリティを生かした新たな電源として提案

光蓄電池のポータビリティ：光があれば配電線・充電作業不用（導電性高分子の利用 → フィルム状，塗料化可能）

今後，身の回りのインテリジェント化が進む→小型電子機器，遍在センサーの爆発的な普及→光蓄電池の実用：設置スペース，配線コストの低減

想定用途・身の回りの遍在センサーのメンテナンスフリー電源・車載センサー・電子ペーパー


想定される企業 6

■ 関連する企業(業界)材　　料：高分子，光触媒，炭素作る技術：電池電極製造，電池実装，触媒製造利　　用：極小・小規模発電，電子機器電源　　　　　機器設計，デザイン

■ 我々のアプローチ材　　料：最適な材料の選択作る技術：電極微細構造の最適化学　　術：光蓄電反応機構の解明　　　　　高効率な反応スキームの構築

両者の協業で光蓄電池の高効率化，実用化を目指したい．


a b a b

究極

フィルム

2電極に

光蓄電極

2電極

★ 我々のアプローチ

我々のアプローチ：1セル2電極型光蓄電池 7

＋古典

a b c

色素増感太陽電池蓄電池

1セルに

3電極

酸化チタン(TiO2)+導電性高分子(ポリアニリン:PANi)

光触媒と蓄電電極の複合材料


複合化の技術 8

従来技術積層型

a b c

新規な点分散型

導電性高分子中に光触媒を分散・反応領域の拡大　　　→光蓄電効率上昇・さらにシンプルに

光触媒を分散させた導電性高分子を光蓄電極とした光蓄電池

a b a b


a) b)

酸化剤層

導電性基板

沈殿重合：光触媒粒子を沈殿させて酸化・電着重合

フィルム化を容易にする電極作製技術例 9

フィルム上に複合電極を形成 ⇒ 低温での製膜導電性高分子：酸化剤や電着による重合=製膜


実施例： TiO2 / PANi複合膜電極の作製例 10

10 !m

1 !m

5 µm

5 µm

5 µm

(a)

(b)

(c)

TiO2/PAN

PAN

TiO2

光触媒分散電極複合膜電極


実施例：フィルム化の例 11

グラファイトシートへの沈殿電着重合例

フィルム基板への電着例


光蓄電の反応スキーム 12

TiO2が生成する光励起キャリアによるPANiの直接酸化・還元（電気化学的エネルギー蓄積）

PANi

TiO2

Ani

Undoped-PANiAnion-doped PANi photo-charge

Energy bandPhoto-excitedholes and electron

Photo-products

Eg

Energy level distribution

励起キャリア反応イオン

励起キャリア・反応イオン分布


TiO2/PANi複合電極の蓄電機構 13

Tir / min

Are

ara

tio

Tir / ks

Imine

Amine

N+

0.0 1.8 3.6 5.4 7.2 9.0

0 30 60 90 120 150

0.0

0.2

0.4

0.6

アミンイミン

イオン化

光照射時間 / 分

窒素原子の状態比率

図8. 主鎖中の窒素原子の状態比率の光照射時間による変化

図7. PANi主鎖中の窒素原子の取り得る状態．

An

N

H

N+

H

N

H

NNN*H

*i

j

k

Imine unit Amine unit Positive nitrogenイミン基窒素アミン基窒素イオン化窒素

側鎖に水素を持たないイミン基の比率が減少イオン性窒素の減少分とアミン基の増加分がほぼ同率

電解質中のプロトン・イオンの脱着による光蓄電


実施例：TiO2/PANi複合膜電極の光充電と放電 14

光により充電されている

図5. 7200秒間の光照射後の放電電流と光照射がない場合の自己放電電流．

0 1800 3600

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Dis

char

ging

curr

ent

/µA

cm!

2

iir

ida

Discharging time /s

Tir = 7200 s

放電電流

自己電流

光照射時間=7200 秒

放電時間 / 秒

放電電流

Qph/m

Ccm

!2

Tir / min

0 50 100 150

0.0

0.5

1.0

1.5

1.97 exp

!

!

Tir

131

"

Qs exp

!

!

Tir

!ir

"

光蓄電電荷量

/m

Ccm

!2

光照射時間 / 分

図6. 光蓄電電荷量の光照射照射時間による変化．

a b a b

光充電放電


実施例：傾斜構造を持つ多孔質TiO2/PANi複合膜 15

傾斜構造を持つ電極：現状で当研究室のトップデータ

光充電後の放電電流の時間変化

0 1200 2400 36000

50

100

150

0

50

100

150

Qph–Tir.proFitData

Dis

ch

arg

e C

urr

en

t / !

A c

m-2

after photo-charging (UV-irradiation) for 600 s

Discharging Time /s

1st cycle

Ce

ll V

oltag

e /

mV

平均放電容量 37 µAh cm-2

Qph = 130 mC cm-2

出願特許 2 による

出願特許2による


エネルギー収支：光蓄電効率 "prb

実施例：傾斜構造を持つ多孔質TiO2/PANi複合膜 16

0 1200 2400 36000

10

20

30

0

2

4

6

8

Qph–Tir.proFitData

Ou

tpu

t P

ow

er

/ !

W c

m-2

Ou

tpu

t E

na

rgy /

mJ

cm

-2!out = 6.5 mJ!in!= !12600 mJ

UV irradiation (21 mW) for 600 s

"prb != !0.052 %

! (!= "out / "in )

Discharging Time /s

出願特許 2 による


類似研究：他研究グループとの比較 17

光充電型色素増感太陽電池の研究開発ペクセル・テクノロジーズ株式会社東京大学大学院

充電光：AM1.5 全波長域評価方法：キャパシタ評価に準ずる

（定電流充放電）平成17年度 NEDO 報告書抜粋


実用化に向けた課題 18■ 高効率化　→現状で，まだまだ実用レベルにほど遠い・材料の最適化：PANi蓄電ポテンシャルの最適化・TiO2とPANiの複合化の最適化→比率，電極微細構造の最適化(出願特許２)

■ 企業に期待すること・材料，資金提供　→可視光応答型TiO2，各種高分子フィルム等・実用面から見た光蓄電池への要求性能の提示

まだまだ未熟な技術ですがお話をさせていただき，ありがとうございました．

■ 可視光での光蓄電・可視光吸収型TiO2を用いた複合電極の作製・評価・最適化・色素増感太陽電池の技術の転用


本技術の知的財産権 19

■ 問合せ先　鹿児島大学　産学官連携推進機構　産学官連携部門　中　武　貞　文　Tel： 099-285-8492 Fax:　099-285-8495　Mail : [email protected]

■ 本件に関する知的財産権● 出願特許 1　←本発表の主たる内容　発明の名称：光蓄電池電極，その製造方法及び光蓄電池　出願番号：特願2007-08211　出願人：国立大学法人　鹿児島大学　発明者：鹿児島大学工学部　野見山輝明，堀江雄二● 出願特許 2 　←本発表では非公開

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