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プラスチック上グラファイト薄膜の創製と革新二次電池への応用

Research Project

Project/Area Number 18J20904
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Electronic materials/Electric materials
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

村田 博雅  筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2019: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywordsグラファイト薄膜 / 層交換 / 二次電池
Outline of Annual Research Achievements

電気自動車や携帯機器のバッテリーの革新を目指し、二次電池の全固体化・薄膜化の研究が活発化している。中でも、軽くて柔らかい「フレキシブル全固体薄膜二次電池」は、どこにでも設置できることに加え、積層による高性能化が容易であり、「究極の電池形態」といえる。その実現のための要素技術として、負極材料であるグラファイト薄膜(厚い多層グラフェン)をプラスチック上に合成し、バルク・グラファイト級の負極特性を実証することを目標とした。
昨年度までの研究において、プラスチック上へのグラファイト薄膜の合成を検討した結果、グラファイト薄膜/Ni/プラスチックという負極構造を合成することに成功した。
グラファイト薄膜の負極特性を評価するためには、基板に金属箔を用いた負極を作製し、現行のコイン型電池に組み込む必要がある。そこで、Ni/非晶質C/Mo箔構造を製膜し熱処理することで、グラファイト/Ni/Mo箔構造を形成した。作製した試料とLiを対向させたコイン型電池を作製し、電池測定を行った。その結果、グラファイト薄膜のグラフェン層間へのLiイオンの脱挿入が確認でき、層交換合成したグラファイト薄膜の負極動作を実証した。また、層交換合成したグラファイト薄膜がバルク・グラファイトの理論容量を上回る容量を持つことが明らかとなった。
層交換合成したグラファイト薄膜はバルク・グラファイトに比べて欠陥や粒界などのスキマを多く有するため、グラフェン層間へのLiイオンの脱挿入に加えて、スキマへのLiイオンの脱挿入が容量に寄与することに起因する。このため、バルク・グラファイトを上回る容量が得られたと考えられる。
以上の研究により、プラスチック上グラファイト薄膜合成を達成するとともに、良好な二次電池負極特性を得られ、DC1における提案内容を完遂した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 3 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 350 °C synthesis of high-quality multilayer graphene on an insulator using Ni-induced layer exchange2020

    • Author(s)
      Murata Hiromasa、Nozawa Koki、Saitoh Noriyuki、Yoshizawa Noriko、Suemasu Takashi、Toko Kaoru
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 13 Issue: 5 Pages: 055502-055502

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ab839d

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Impact of the carbon membrane inserted below Ni in the layer exchange of multilayer graphene2020

    • Author(s)
      Murata H.、Saitoh N.、Yoshizawa N.、Suemasu T.、Toko K.
    • Journal Title

      CrystEngComm

      Volume: 22 Issue: 18 Pages: 3106-3109

    • DOI

      10.1039/d0ce00394h

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multilayer Graphene Battery Anodes on Plastic Sheets for Flexible Electronics2020

    • Author(s)
      Murata Hiromasa、Nakajima Yoshiki、Kado Yuya、Saitoh Noriyuki、Yoshizawa Noriko、Suemasu Takashi、Toko Kaoru
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: 3 Issue: 9 Pages: 8410-8414

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c01030

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fe-Induced Layer Exchange of Multilayer Graphene for Rechargeable Battery Anodes2020

    • Author(s)
      Y. Nakajima, H. Murata, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 13 Issue: 2 Pages: 25501-25501

    • DOI

      10.7567/1882-0786/ab5e3a

    • NAID

      120007127619

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Low-Temperature (400 °C) Synthesis of Multilayer Graphene by Metal-Assisted Sputtering Deposition2019

    • Author(s)
      Y. Nakajima, H. Murata, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 4 Issue: 4 Pages: 6677-6677

    • DOI

      10.1021/acsomega.9b00420

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Impact of Amorphous-C/Ni Multilayers on Ni-Induced Layer Exchange for Multilayer Graphene on Insulatores2019

    • Author(s)
      H. Murata, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 4 Issue: 10 Pages: 14251-14251

    • DOI

      10.1021/acsomega.9b01708

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High-Electrical-Conductivity Multilayer Graphene Formed by Layer Exchange with Controlled Thickness and Interlayer2019

    • Author(s)
      H. Murata, Y. Nakajima, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1038/s41598-019-40547-0

    • NAID

      120007128094

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Metal Catalysts for Layer Exchange Growth of Multilayer Graphene2018

    • Author(s)
      Y. Nakajima, H. Murata, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Sueamsu, and K. Toko
    • Journal Title

      ACS Appl. Mater. Interfaces

      Volume: 10 Issue: 48 Pages: 41664-41669

    • DOI

      10.1021/acsami.8b14960

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Ni-Induced Layer Exchange of Multilayer Graphene on Plastic Substrate for Flexible Rechargeable Battery Anode2020

    • Author(s)
      H. Murata, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Improving crystal and electrical properties of multilayer graphene on insulator formed by Ni-induced layer exchange2019

    • Author(s)
      H. Murata, Y. Nakajima, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials 2019 (APAC SILICIDE 2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comprehensive Study of Metal-Induced Layer-Exchange for High-Quality Multilayer Graphene2019

    • Author(s)
      H. Murata, Y. Nakajima, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      2019 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multilayer graphene: Layer-exchange synthesis of multilayer graphene for flexible carbon electronics2019

    • Author(s)
      H. Murata, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      2019 European Materials Research Society (E-MRS) Fall Meeting
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] High-quality multilayer graphene formed by thickness-controlled metal-induced layer exchange2019

    • Author(s)
      H. Murata, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      2019 European Materials Research Society (E-MRS) Fall Meeting
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 金属誘起層交換合成によるグラファイト薄膜の合成と薄膜二次電池応用2019

    • Author(s)
      村田 博雅, 中島 義基, 加登 裕也, 吉澤 徳子, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第46回炭素材料学会年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 多層グラフェンの層交換合成と二次電池応用2019

    • Author(s)
      村田 博雅, 中島 義基, 加登 裕也, 吉澤 徳子, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Low-temperature synthesis of multilayer graphene on glass by Ni-induced layer exchange2018

    • Author(s)
      Hiromasa Murata, Takashi Suemasu, Kaoru Toko
    • Organizer
      European Materials Research Society (E-MRS) Fall Meeting
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Guidelines for metal selection to induce layer exchange growth of multilayer graphene2018

    • Author(s)
      Hiromasa Murata, Yoshiki Nakajima, Takashi Suemasu, Kaoru Toko,
    • Organizer
      European Materials Research Society (E-MRS) Fall Meeting
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 環境半導体・磁性体研究室ホームページ

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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