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

2021 Fiscal Year Annual Research 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: メカニカルメタマテリアル / ナノポーラス構造 / 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。本プロジェクトで取り組んだ内容として、本プロジェクトで購入した3Dプリンタでメタマテリアル構造を作製したこと、電極にナノポーラス構造を作製したことが挙げられる。メタマテリアル作製に関しては、3Dプリンタを用いて大きさが300um程度のユニットセル構造を作製し、これをアレイ化することで2cm×2cmのメタマテリアルを実現した。ナノポーラス構造の作製に関しては、合金AuSnを電解メッキにより作製して、その合金を酸・アルカリに浸漬することで金のナノポーラス構造を得た。エッチング液を複数使用して、その影響を調査したところ硝酸によるエッチングが、数十nmの細かいナノポーラス構造を作製できることが判明した。上記メタマテリアルとナノポーラス構造を組み合わせて、マルチスケール構造を実現した。電気化学インピーダンス法を用いて、電気化学特性の評価を行ったところ、単純な平板電極よりも数十倍大きな表面積をもつ電極を作製できたことが判明した。しかしながら、本研究で作製したメカニカルメタマテリアルはポリマーを除去できないため構造由来の柔軟性を十分発揮できず、硬いという問題があった。今後は構造作製を最適化して、柔らかい電極を実現したいと考えている。これにより、人や動物の肌やパイプなどあらゆる形状を対象として設置可能な蓄電デバイスを実現する。将来的には、本研究成果を電気化学デバイス応用し、優れた電気化学特性と機械特性を実現したメカノイオニクス創製が期待できる。