전자와 이온이 쌍이 되는 「전기 이중층」이라고 하는 현상을 이용하는 전기 이중층 캐패시터는 축전 디바이스의 일종으로, 반복 이용에 의한 열화가 거의 없고, 이온 전지보다 고출력이 된다.효율적으로 전기를 축적하기 위해서는 미소공간(나노공간)에서 고밀도로 전자와 이온을 가두어야 한다.이 때 이온에 결합하고 있는 물 분자도 갇혀 있지만, 이 물 분자의 특성이 불분명하기 때문에 효과적으로 전자와 이온을 가두는 방법을 알 수 없었다.

　연구 그룹은 층상 화합물 MXene을 전극 재료로서 각종 알칼리 금속 이온을 이용한 전기 이중층 캐패시터를 작성하고, 전기 이중층 용량을 측정하여 계산 시뮬레이션을 실시했다.해석에 의해 MXene의 층간 나노 공간에 리튬 이온과 함께 갇힌 물 분자가 부의 유전율을 가지는 것, 즉 외부 전계와는 반대 방향의 내부 전장을 발생시키는 이상한 전위 분포를 나노 공간에 형성하는 것이 판명 했다.또한, 물이 부의 유전율을 가지는 것으로, 층상 화합물의 전기 이중층 용량이, 부의 유전율을 나타내지 않는 이온을 사용했을 경우의 1.7배 증대하는 것을 실험·이론의 양면으로부터 실증했다.

　또, 부의 유전율은, 탄소만으로 구성되는 그래핀 등의 다른 층상 화합물에서도 실험·이론에 의해 확인되어, 보편적인 현상인 것을 알 수 있었다.음의 유전율을 이용하면 적은 에너지로 이온을 고밀도로 축적하는 것이 가능해지기 때문에, 고에너지 밀도의 전기 이중층 캐패시터의 개발로 이어질 것이 기대된다.

논문 정보:【Nature Communications】Negative dielectric constant of water confined in nanosheets