低温で良質なナノセルラーグラフェンの大面積化に成功 ─豊富な資源を使うナトリウムイオン電池の本格的な実用化に期待─

2024年3月13日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　教授　加藤秀実

【発表のポイント】

炭素原子からなる引张强度と导电性に极めて优れた薄膜のナノセルラーグラフェン（狈颁骋）を自己组织化^（注¹^）を利用して大面积で作製することに成功しました。
金属液体触媒が促进するグラフェンの形成に伴って超微细な中空セルが成长する新现象を世界で初めて见出しました。
本研究で作製した狈颁骋を活物质^（注²^）に用いたナトリウムイオン电池^（注³^）は、充放电しやすさのレート特性が高く、长寿命および优れた変形耐性を示すことを确认し、そのフレキシブル电池化に大きく贡献します。

【概要】

炭素原子が六角形に结合した原子1个分厚さの2次元シートのグラフェンが复数积层し、表面にナノスケールの凹凸を付与して高比表面积化したナノセルラーグラフェン（狈颁骋）は、电子?エネルギーデバイス、センサー等の高性能化につながる重要部材として注目されています。

狈颁骋固有の优れた数々の特性は、その作製过程において导入されるクラック等の欠陥によって着しく低减されます。一般的なデバイスサイズであるセンチメートル以上の大きさで、均质かつクラックフリーで継ぎ目のない狈颁骋を作製することは极めて困难であり、これを効率的に作製する新技术の开発が渇望されてきました。

東北大学金属材料研究所の朴元永大学院生（現?現代自動車）、朱修賢助教（現?韓国壇国大学）、加藤秀実教授らは金属溶湯脱成分法によりビスマス液体中で炭素原子が継ぎ目のないNCGを高速で自己組織化し、これが黒鉛化処理を経て高い引張強度と高い導電率を呈することを明らかにしました。このユニークな材料を活物質（兼集電体）に用いたナトリウムイオン电池（SIB）は、高レート、長寿命、かつ、優れた変形耐性を呈することから、SIBの高性能化、フレキシブル化を実現するものと期待されます。

本研究成果は、2024年2月23日付（現地時間）に、科学誌Advanced Materialsオンライン版に掲載されました。

なお本成果は、学际科学フロンティア研究所の韩久彗助教（现?中国?天津理工大学）、先端材料强度科学研究センター、韩国?浦项工科大学校および米国ジョンズ?ホプキンス大学の研究者らとの共同研究によるものです。

図1. ナノセルラーグラフェン（NCG）の作製工程

【用语解説】

注1. 自己組織化：簡単な要素から自発的に複雑なシステムが組み上がること。生物の組織が自然にできること以外に、人間社会における秩序の形成なども広い意味での自己組織化と言えます。

注2. 活物質：電池電極を構成する物質。正極または負極においてそれ自体が酸化還元することで、エネルギーを電池内に蓄えられたり、逆に、電池からエネルギーを放出されたりします。

注3. ナトリウムイオン電池：電解質中のナトリウムイオンが電気伝導を担う蓄電池（二次電池）。海水中に大量に含まれるナトリウムは、供給や地政学リスクの不安がありません。現状では広く普及しているリチウムイオン電池よりも電気を貯められず電気自動車（EV）に向かないとの見方が言われますが、今後の性能向上次第で将来のリチウムの需要を抑制できると期待されています。