東北大 藪浩教授を目標に アルミニウム活性炭キャパシタをＤＩＹしてみた #スーパーキャパシタ #ＤＩＹ #活性炭電池
【東北大 藪浩教授】2024年6月の東北大 藪浩教授 スーパーキャパシタの活性炭１グラム当たり900ファラドを超える静電容量を安価な材料で達成した。
これにヒントを得て、スーパーキャパシタとアルミ活性炭空気電池をDIY。
活性炭をアルミホイルとステンレスメッシュで挟む。電解液は塩水を使用。
●自作キャパシタの放電特性
何度か試行錯誤しながら電流と電圧を測定した。下図は放電電流と電圧値の分布である。
0.75ボルト以上の電圧値が何度か記録されている。充電後の放電時の電圧である。初期放電は0.5ボルト以下です。
●アルミニウム活性炭電池の放電の仕組み
最初はアルミ箔側にアルミイオンが溶け出す。起電力は0.7ボルト以下。イオン化傾向とアルミニウムの標準酸化還元電位から、0.7ボルトが実験的な上限です。放電電流は20mA程度です。
アルミニウムの標準酸化還元電位は1.6
鉄は0.44
ナトリウムは2.7
水素 0.0
900ファラドが活性炭1グラム当たりのキャパシタ静電容量らしい。1.5ボルトで10000秒放電なら135ミリアンペアの放電だ。
東北大は新手法で、放電電流、放電時間を上げた、または使用活性炭の量を数分の1に低減できたようだ。
Ｆ=Ａ×sec ÷Ｖ
【アルミニウム活性炭電池キャパシタをＤＩＹ】インスパイアされてスーパーキャパシタとアルミニウム活性炭空気電池をＤＩＹで作る。
アルミニウム箔とステンレスメッシュでフィルター入り活性炭を挟む。食塩水で導電性の電解液にする。
【自作ＤＩＹ電池キャパシタの放電特性】
何回か試行錯誤しながら電流、電圧を測ってみた。下図が放電電流、電圧値の分布図だ。
0.75ボルト以上の電圧値を複数回記録してる。コレらは充電後の放電時の電圧だ。
最初期の放電は0.5ボルト以下だ。
【アルミニウム活性炭電池の放電の仕組み】
アルミニウム箔側は最初アルミニウムイオンが溶け出す。その起電力は0.7ボルト以下だ。イオン化傾向とアルミニウムの標準酸化還元電位からも0.7ボルトが上限だと思う。電流値は20ミリアンペア以下だ。
アルミニウムの標準酸化還元電位1.6
鉄が0.44
ナトリウムが2.7
水素0.0
【アルミニウム活性炭電池とキャパシタ】
0.7ボルトの放電電圧は、活性炭キャパシタに充電するのでマイナスされるのだろう。実際には1.3ボルトぐらいの起電力があるはずなのに、0.7ボルト程度が観測される。
この0.75ボルト以上の電圧は活性炭キャパシタに溜まった静電容量から放電する時の電圧電流が加わったものだろう。
【参考 活性炭電池との比較】
参考データ 活性炭電池 を見ると
160ミリアンペア 0.9ボルト。
https://apec.aichi-c.ed.jp/kyouka/rika/kagaku/2018/riron/denti2/denti.htm
参考データは、今回のＤＩＹ電池の値のグラフの延長上に乗る。
素朴な活性炭電池だが、アルミニウム箔側をマイナス極とする電池になる。またアルミニウム側をマイナス極として充放電できるキャパシタとしての性質もあるようだ。
【キャパシタの自己充電】
最初の電池の放電がキャパシタに蓄電される。外部から充電しなくてもキャパシタに蓄電されるのだろう。
【アルミニウム活性炭電池の充電】
アルミニウム箔活性炭電池は充放電しないとされている。今回のＤＩＹはアルミニウム箔を下部の平面型電極にして、そのまま集電体も兼ねている。積み上げるように活性炭とステンレスを積み重ねる構造だ。
【アルミニウム活性炭電池の充電の仕組み】
溶け出すアルミニウム箔が完全にボロボロになる前に充電すると、充放電できるようになる。電解液中に溶け出すアルミニウムイオンがアルミニウム箔、フィルター、活性炭の間にトラップされてキャパシタと２次電池に近い形になるようだ。
【アルミニウム活性炭電池の充電時の現象】
電極のプラスマイナスを逆にすると充放電されない。また積み上げる構造を上下逆にすると、放電電圧、放電電流値とも小さくなる。
アルミニウム活性炭電池兼キャパシタの充放電ができる可能性が確認できた。
DIY Aluminum Activated Carbon Capacitor [both ink agar film capacitor and copper top electrode] with Prof. Hiroshi Yabu of Tohoku Univ. as a target.
Professor Hiroshi Yabu, Tohoku University in June, 2024 Achieved capacitance of over 900 farads per gram of activated carbon in supercapacitors with inexpensive materials.
Super capacitor realized by "sprinkling molecules" approach - Expected to be used in many fields without the need for expensive nanocarbons.
Professor Hiroshi Yabu's Laboratory, Institute for Advanced Study of Materials Science Website [Key Points of the Presentation] Redox pigment molecules can be used as inexpensive materials for supercapacitors.
www.tohoku.ac.jp
900 farads is the capacitor capacitance per gram of activated carbon. 1,000 seconds of discharge at 1.5 volts is 135 milliamps.
Tohoku University seems to have used a new method to increase the discharge current and discharge time, or to reduce the amount of activated carbon used to a fraction of the original amount.
F = A x sec ÷ V
DIY Aluminum Activated Carbon Battery Capacitor] Inspired by the above, a super capacitor and an aluminum activated carbon air battery were made as a DIY project.
Sandwich filtered activated carbon between aluminum foil and stainless steel mesh. Use salt water as conductive electrolyte.
Discharge characteristics of the homemade DIY battery capacitor
I measured the current and voltage through trial and error several times. The figure below shows the distribution of discharge current and voltage values.
The voltage value of more than 0.75 volts was recorded several times. These are the voltages at the time of discharge after charging.
The initial discharge is less than 0.5 volts.
How Aluminum Activated Carbon Battery Discharges
Aluminum ions dissolve on the aluminum foil side at first. The electromotive force is less than 0.7 volts. Based on the ionization tendency and the standard redox potential of aluminum, 0.7 volts is the upper limit. The current value is less than 20 mA.
Standard oxidation-reduction potential of aluminum is 1.6
0.44 for iron
2.7 for sodium
Hydrogen 0.0
Aluminum activated carbon battery and capacitor
The 0.7 volt discharge voltage would be minus as the activated carbon capacitor is charged. In reality, there should be an electromotive force of about 1.3 volts, but about 0.7 volts is observed.
The voltage above 0.75 volts is probably the result of the voltage and current added when discharging from the capacitance accumulated in the activated carbon capacitor.
Reference: Comparison with activated carbon batteries
Reference data: Activated carbon battery
160 mA 0.9 volts.
https://apec.aichi-c.ed.jp/kyouka/rika/kagaku/2018/riron/denti2/denti.htm
The reference data will ride on the extension of the graph of the value of this DIY battery.
【ＡＩによる追記】
「アルミニウム活性炭電池の応用」: アルミニウム活性炭電池を使用して、モバイルデバイスの充電に利用する方法について紹介する。活性炭キャパシタの静電容量から放電される電流を利用し、モバイルデバイスに電力供給する仕組みを構築することで、エコな充電方法を提案する。
「アルミニウム活性炭電池の自己充電」: アルミニウム活性炭電池を、外部からの充電なしで自己充電可能な仕組みに改良する方法を解説する。アルミニウム箔が溶け出す際に生成されるアルミニウムイオンをキャパシタに蓄え、自己充電する仕組みを構築することで、持続的な電力供給が可能となる。
「アルミニウム活性炭キャパシタの効率化」: アルミニウム活性炭キャパシタの放電効率を向上させる方法について紹介する。活性炭の種類や構造、アルミニウム箔の厚みなどの要素を変えることで、放電電流や電圧を最大化する方法を提案する。
「アルミニウム活性炭電池の低コスト化」: アルミニウム活性炭電池の材料や製造プロセスを見直し、低コストで生産できる方法を提案する。例えば、代替となる材料や省力化された製造手法を導入することで、市場で競争力のあるアルミニウム活性炭電池を実現する。
「アルミニウム活性炭キャパシタの新たな応用」: アルミニウム活性炭キャパシタの特性を活かし、新たな応用分野を探る。例えば、エネルギー貯蔵や再生可能エネルギーへの応用、電気自動車のバッテリー技術への応用など、幅広い可能性を提案する。
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