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電気化学の面白さを深堀り中! “次世代蓄電池”の実現を目指して

  電気自動車、電動アシスト自転車、スマートフォン、ノートパソコン、モバイルバッテリー…これらにはいずれも「蓄電池」が使用されており、私たちの暮らしを支える“影の立役者”のひとつと言えるでしょう。一方、現在の蓄電池は、発火?爆発の危険性や環境への負荷といった課題がないわけではありません。こうした状況のなかで、より安全で環境にやさしい新しい蓄電池を開発したい!そのような情熱を持ち、日々188bet体育_188bet备用网址に取り組んでいるのが、総合理工学188bet体育_188bet备用网址科 繊維学専攻 化学?材料分野 修士1年生の杉山貴矢さんです。世界が注目する最先端技術「Water-in-salt(ウォーター イン ソルト)」を活用した杉山さんの188bet体育_188bet备用网址とは!?(文?佐々木 政史)

????? 信州大学広報誌「信大NOW」第139号(2023.5.31発行)より

より安全で 環境にやさしい蓄電池を

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Water-in-saltを内包させたシリカゲル(写真右上)は、乾燥や湿潤によってLiTFSIの濃度が変化し、その性質と状態も大きく変化するため、適切な湿度環境の検討を行った。188bet体育_188bet备用网址の結果、35%RH(相対湿度)の湿度条件で合成することで、濃度を維持することができた。

 「電気って暮らしに欠かせないもので、とても身近にあるけれど、実はよく考えてみると分からないことが沢山ある―。中学校、高校の理科の実験を通じてそう思ったんです」。大学院での188bet体育_188bet备用网址のルーツについて、このように話すのは、総合理工学188bet体育_188bet备用网址科 繊維学専攻 化学?材料分野修士課程1年生の杉山貴矢さん。
 杉山さんの188bet体育_188bet备用网址分野は「電気化学」というもの。これは電気の化学変化を扱う学問分野のことで、具体的には、電池や電気を流す物質を188bet体育_188bet备用网址対象とします。この電気化学のなかで杉山さんが取り組んでいる188bet体育_188bet备用网址は、これまでにない新しい“次世代蓄電池”の開発です。
 蓄電池はスマートフォンやノートパソコンなど、私たちの身のまわりの様々な機器に使われており、いまや暮らしになくてはならないもの。ただ、その安全性に課題があるのも事実です。
 現在の蓄電池は「有機溶媒系」の電解質を使用していますが、この電解質が酸化分解して、大量のガスが発生したり外部から強い力が加わったりすると発火?爆発の危険性がないわけではありません。独立行政法人製品評価技術基盤機構(NITE)によると、蓄電池の年間事故発生件数(2023年1月1日時点)は、2022年には115件発生してます。
 また、有機溶媒系の電解質は人体や自然にとって有害な物質が使われていることもあり、処分の点で環境負荷も問題視されています。

世界が注目の新技術「ウォーター イン ソルト」

 こうした課題に対応するため、国内外で次世代型蓄電池の開発が進められていますが、中でも杉山さんが取り組んでいるのは、世界で大きな注目が集まっている「Water-in-sal(t ウォーター イン ソルト、以下WIS)」という新技術を活用したものです。「先行188bet体育_188bet备用网址があまりなくて不安な部分もあった。それでも面白い技術だと思ったので、使ってみたらどうなるか知りたいワクワクが勝った」と、杉山さんは188bet体育_188bet备用网址を始めた当初を振り返ります。
 WISとは、特殊な塩(LiTFSI:リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)に、ごく少量の水を添加することで液化した高濃度電解質。水溶液系であるため、従来の有機溶媒系のように発火?爆発の危険性がなく安全。加えて、環境にやさしいという特徴を持ちます。これまで水溶液系は安全で環境負荷が小さいけれど、高い電圧に耐えられないため、蓄電池としての性能が劣る課題がありました。しかし、WISは、ごく少量の水で液化した高濃度電解質であることから高電圧に耐えることができ、高い出力性能を発揮できます。
 杉山さんはこのWISをゲル化して電解質として採用した蓄電池の実用化へ向けた188bet体育_188bet备用网址に取り組んでいます。電解質を水溶液とするだけでも安全性は高まりますが、さらにゲル化することで、例えば衝撃を受けても電解質が漏れ出すといったことがなくなり、より安全性を高めることが可能になります。また、ゲル化することで、充放電を繰り返しても性能が落ちにくいという可能性も期待できます。
 ただ、その製造には湿度管理がシビアであるという課題もあります。杉山さんは学部4年生からこの188bet体育_188bet备用网址に着手、ゲル化に適切な湿度環境の見極めに成功しています。大学院ではゲル化したWISの性質をより詳しく調べたうえで、実際にそれを採用した蓄電池の開発を目指しています。「実験は基本的に孤独で地道な作業。それでも上手くいったときの“クイズで謎が解けたような快感”が醍醐味で止められない」と、杉山さん。
 修士課程の修了後は、就職を希望していますが、やはり第一希望は大学院での188bet体育_188bet备用网址経験を生かして、バッテリーメーカーでの188bet体育_188bet备用网址職。フィールドは大学から企業へと移りますが、中学?高校時代の理科の実験にルーツを持つ杉山さんの電気化学の探求は、これからも続いていきそうです。

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ご本人から一言

 実は学部3年生の時に“就職か進学か”で悩んだんです。周りの先輩や先生に相談すると、「正直なところ学部では時間が足りない。ようやく188bet体育_188bet备用网址が面白くなってきたというところで卒業」―そのような声を多く聞きました。ここで止めるのは勿体ない!そう思って進学を決めました。まだ修士課程が始まったばかりですが、とても充実してり、決断は間違って なかったと思います。

指導教員から
信州大学学術188bet体育_188bet备用网址院(繊維学系)
杉本 渉
教授

 うちのラボでは、188bet体育_188bet备用网址のテーマ決め、課題の把握、解決へ至る道筋づくりのすべてを“自分で”取り組むように指導しています。最終的に血肉になるものは、自分で苦労して考えたことだけだからです。この点について、杉山さんは見事にやってのけてくれていて、この経験は188bet体育_188bet备用网址に限らずこれからの人生にきっと役に立つことでしょう。一方で、杉山さんはよく言えば謙虚とも言えますが、自分の能力を過小評価しているところがありますので、“もっと自信を持ってほしい”と思います。だいたいこのくらいだと自分で自分にリミットを掛けてしまっていて、せっかくの潜在能力を引き出し切れておらず勿体ない。さらなる飛躍のカギはこの辺りにありそうです。
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信州大学の大学院は総合大学の強みを活かして学際的な188bet体育_188bet备用网址科と専攻があるのが特徴。
学部との関係はこの図をご覧ください。

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