小は大を兼ねる？！『アッ』と驚くナノ材料| 信州大学杉本渉教授

信州大学繊維学部化学・材料学科杉本渉教授

小は大を兼ねる？！『アッ』と驚くナノ材料

信州大学
繊維学部化学・材料学科

杉本渉教授

30分のミニ講義を聴講しよう！ 3秒でスマホを充電？　その秘密とは！

スマホが3秒で充電できたり、体内に埋め込んでも安全な夢のような蓄エネ素子「スーパーキャパシタ」を開発しています。これはナノ材料の表面を利用した新しい蓄エネ技術で、瞬時に電力を貯めます。その仕組みとは？　小さいからこそ良いことだってあるんです。

先生からのメッセージ

本当に自分が好きなことを勉強してください。不得意な科目であっても、好きであれば勉強は苦になりません。大事なのは自分が何を見てワクワクするかです。スーパーキャパシタや電池に関していえば、自分の考えたものが形になる分野です。材料の合成から応用まですべてを扱うため、いろいろなことを知りたい、学びたい人に向いています。
ほかの人の協力を仰ぐために自分の知識や技術を人に伝える力も重要です。もはやどの分野の人も思い描く社会は同じですから、未来の実現のために何ができるのか、自分の生きる場所を探していきましょう。

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夢ナビ講義も読んでみようスーパーキャパシタを使えば一瞬でフル充電が可能になる！

もう充電器はいらない？スマートフォンやパソコンの中にはリチウムイオン電池だけでなく、ほかにも電池が入っています。いわゆるコンデンサと呼ばれる「キャパシタ」で、さらに進化した「スーパーキャパシタ」も作られています。スーパーキャパシタは物理化学反応をベースにしているため発熱によるロスが少なく、うまく作ればiPhoneを数秒でフル充電することやガソリンの給油と同程度のスピードで電気自動車をフル充電することも可能になります。
さらに充電速度と効率を上げれば、非接触充電の要領で自動充電しながら走行することもできます。世界中で自動充電と自動運転の開発が並行して進められており、既に実験ラインが組まれるなど、実用化まで見据えられています。ナノシートを「立てる」ことで効率アップ層状の化合物をナノサイズのシートにバラバラにした後に、積層させることでスーパーキャパシタに使うナノシート電極が作れます。実際にはナノシートを浮かせた溶液を基板などに塗布して使うのですが、重力の関係からナノシートは溶液内で「寝た」状態となります。電気エネルギーはナノシートの間に蓄積されるため、上下から流れた電気はナノシートの表面を回り込むロスが生まれます。そこでまずナノシートを垂直に立たせ、フリーズドライの要領で凍らせてから乾かします。ナノシートが「立った」状態で使えれば電気は一直線に層の間に入ることができ、急速充電や急速放電が可能になるのです。レアメタルを使ったキャパシタの用途とは一般的なスーパーキャパシタは活性炭を使うため、非常に低コストです。現状、最も性能がよいのは酸化ルテニウムを使ったナノシート電極です。ルテニウムは希少性が高いレアメタルで高価なので、人工衛星や心臓のペースメーカーなど、性能の高さをより生かせる用途がよいでしょう。
ほかにも酸化マンガンや酸化チタンなどでもナノシートを作れますから、性能とコストを考えてどう使っていくかがポイントになります。