Precise structure control of nano-composite films in low-temperature plasma reaction field with fast flow

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01076
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14030:Applied plasma science-related
• Research Institution: Meijo University
• Principal Investigator: Uchida Giichiro 名城大学, 理工学部, 教授 (90422435)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 茂田 正哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (30431521)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 低温プラズマプロセス / プラズマ流れ反応場 / ナノ複合材料 / Liイオン電池 / ゲルマニウム

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study is to control the microstructure of nanomaterial films using a low-temperature plasma flow reaction field. By changing the gas flow rate (velocity) in the plasma, the particle size of Ge nanoparticles could be controlled between 40 and 100 nm. In the plasma reaction field with two flows, nanostructured films with aggregated GeSn nanoparticles were formed at low gas flow velocities, while at high gas flow velocities above 300 sccm, specific nanostructured films with regularly arranged nanopillars of about 100 micron diameter were formed. As an application study, a Li ion battery using a C/Ge/C stacked film as the anode demonstrated 910 mAh/g after 90 cycles, which is a three times higher value than that of a carbon anode.

Free Research Field

プラズマプロセス、電気化学デバイス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

Liイオン電池の高容量負極の実現において、負極材料の物性に加え、膜の微細構造が電池性能を左右する重要因子となっている。本研究では低温プラズマ流れ反応場を用いて様々なナノ構造膜負極を作製し、最終的にLiイオン電池で90サイクル後にカーボン負極の約3倍の910 mAh/gを実証した。この研究成果の学術的意義は、低温プラズマ流れ反応場を用いてナノ構造膜の形態を多彩に制御できることを見出した点にある。また、この知見をLiイオン電池負極膜に展開し、実際に高容量と低劣化を達成した。この電池の実証はカーボンニュートラル社会の実現に貢献するものであり、社会的にも意義がある研究成果である。