Electric double layer in nanospace: Integration of statistic analyses of experimental and simulation data

本研究は、電気二重層キャパシタの高エネルギー密度化を目指し、静電容量を増大させる新しい指針として「インターカレーション静電容量」を提案するものである。具体的にはMXene（マキシン）と総称される層状化合物を研究対象とする。MXeneは、層間ナノ空間に挿入されたイオンが電気二重層を形成し、インターカレーション静電容量を与える。これまでの応募者の研究で、層間ナノ空間に共挿入された電解液の溶媒分子が外部電場を過剰遮蔽し、静電容量を大幅に増大することが明らかとなっていた。2022年度においては、MXeneの電子状態・構造状態、表面官能基、電解液溶媒分子の性質、イオン種、濃度、などのインターカレーション静電容量を支配すると考えられる因子の膨大な数に及ぶ組み合わせに対して、2021年度に成功していた溶融塩を用いて表面官能基を完全に制御MXeneの電極特性を精密に解析した。その結果、通常の-F/-Cl/-O/-OHなどの複数の表面官能基を含むMXeneが優れた電極活性を示すのに対して、-Clのみ、-Brのみが表面官能基として修飾しているMXeneは全くイオンインターカレーション反応容量を示さないことが分かった。そのメカニズムは不明であるが、充電後にMXeneがアモルファス化していることが確認され、特定の官能基が電極活性を発現するために不可欠であることが分かった（K. Kawai, et al., 2D Mater. 2023, 10, 014012）。また、MXeneのデータベースを構築するための準備として、JSON形式でLiFePO4の電極特性をデータベース化する方法論を模索し、ツリー型にすることで効率的なデータ可視化が可能となった。

本研究は、電気二重層キャパシタの高エネルギー密度化を目指し、静電容量を増大させる新しい指針として「インターカレーション静電容量」を提案するものである。具体的にはMXene（マキシン）と総称される層状化合物を研究対象とする。MXeneは、層間ナノ空間に挿入されたイオンが電気二重層を形成し、インターカレーション静電容量を与える。これまでの応募者の研究で、層間ナノ空間に共挿入された電解液の溶媒分子が外部電場を過剰遮蔽し、静電容量を大幅に増大することが明らかとなっていた。2022年度においては、MXeneの電子状態・構造状態、表面官能基、電解液溶媒分子の性質、イオン種、濃度、などのインターカレーション静電容量を支配すると考えられる因子の膨大な数に及ぶ組み合わせに対して、2021年度に成功していた溶融塩を用いて表面官能基を完全に制御MXeneの電極特性を精密に解析した。その結果、通常の-F/-Cl/-O/-OHなどの複数の表面官能基を含むMXeneが優れた電極活性を示すのに対して、-Clのみ、-Brのみが表面官能基として修飾しているMXeneは全くイオンインターカレーション反応容量を示さないことが分かった。そのメカニズムは不明であるが、充電後にMXeneがアモルファス化していることが確認され、特定の官能基が電極活性を発現するために不可欠であることが分かった（K. Kawai, et al., 2D Mater. 2023, 10, 014012）。また、MXeneのデータベースを構築するための準備として、JSON形式でLiFePO4の電極特性をデータベース化する方法論を模索し、ツリー型にすることで効率的なデータ可視化が可能となった。