メカニカル・メタマテリアルを用いたフレキシブル電極の開発とメカノイオニクスの創製

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14701
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山田 駿介 東北大学, 工学研究科, 助教 (50811634)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: フレキシブルデバイス / スーパーキャパシタ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、柔軟性と大きな表面積をもつ３次元メカニカル・メタマテリアル構造をスーパーキャパシタに応用することで、貼り付け型デバイスための大きなエネルギー密度をもつフレキシブルな蓄電素子を実現することである。メタマテリアルは構造工夫により、硬い無機材料を柔らかくする技術であり、柔軟性を持つ電極を開発する。さらに、本研究では世界初のメタマテリアル構造を電極に導入したスーパーキャパシタを作製・評価を行う。また、メタマテリアル電極表面にナノ・マイクロ材料を合成・塗布して、マルチスケール構造をもつ電極を実現して電気化学特性を飛躍的に改善する。メタマテリアルを光造形で作製した。作製したメタマテリアルはトラス構造をもつため、適度な空隙があり、イオンの移動を阻害せずスーパーキャパシタの電極として有望である。電極作製に関しては、スパッタリングとめっきにより金をメタマテリアル表面に成膜した。断面をSEMとEDXで観察したところ、厚み1μm程度の金を成膜でき、電極として使用可能であることが判明した。ナノスケール材料としては、ナノポーラス構造を表面に作製することに挑戦した。金-錫合金から錫を選択的にエッチングして、金のナノポーラス構造を作製したところ、スパッタ時の密着層であるCrがエッチングを阻害して、ナノポーラス構造が作製できないことが判明した。今後はナノポーラス構造作製技術を確立して、マルチスケール構造により、優れた電気化学特性と機械特性を実現したスーパーキャパシタを実現する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は3Dプリンタにより、メタマテリアルを作製した。また、その表面に金属を成膜でき、メタマテリアル電極を実現できた。このため、おおむね順調に進展しているとと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

ナノポーラス構造を表面に作製するためDealloyを用いたが、スパッタ時の密着層Crがエッチングを阻害して、ナノポーラス構造が作製できないことが判明した。今後はナノポーラス構造作製技術を確立して、マルチスケール構造により、優れた電気化学特性と機械特性を実現したスーパーキャパシタを実現する。

Causes of Carryover

今年度はコロナウイルスに関連した緊急事態宣言の発令による研究の進捗に大きな影響があり、次年度使用額が生じた。