東京大学の山田淳夫教授らのグループは、産業技術総合研究所との共同研究により、「MXene(マキシン)」と呼ばれる層状化合物の層間ナノ空間にリチウムイオンとともに閉じ込められた水分子が、「負の誘電率」を持つことを発見した。

 電子とイオンがペアになる「電気二重層」という現象を用いる電気二重層キャパシタは蓄電デバイスの一種で、繰り返し利用による劣化がほとんどなく、イオン電池より高出力になる。効率的に電気を蓄積するには微小空間(ナノ空間)で高密度に電子とイオンを閉じ込める必要がある。このときイオンに結合している水分子も閉じ込められるが、この水分子の特性が不明なため効果的に電子とイオンを閉じ込める方法が分からなかった。

 研究グループは、層状化合物MXeneを電極材料として各種アルカリ金属イオンを用いた電気二重層キャパシタを作成し、電気二重層容量を測定して計算シミュレーションを実施した。解析によりMXeneの層間ナノ空間にリチウムイオンと共に閉じ込められた水分子が負の誘電率を持つこと、すなわち外部電場とは逆方向の内部電場を生じる異常な電位分布をナノ空間に形成することが判明した。さらに、水が負の誘電率を持つことで、層状化合物の電気二重層容量が、負の誘電率を示さないイオンを使った場合の1.7倍増大することを実験・理論の両面から実証した。

 また、負の誘電率は、炭素のみで構成されるグラフェンなどの他の層状化合物でも実験・理論により確認され、普遍的な現象であることが分かった。負の誘電率を利用すると少ないエネルギーでイオンを高密度に蓄えることが可能となるため、高エネルギー密度の電気二重層キャパシタの開発につながることが期待される。

論文情報:【Nature Communications】Negative dielectric constant of water confined in nanosheets

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