2022 Fiscal Year Research-status Report
バーティカル・グラフェンの創製とフレキシブル薄膜電池への応用
| Project/Area Number |
22K18802
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
都甲 薫 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30611280)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
|
| Keywords | グラフェン |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、軽くて柔らかい次世代型二次電池「フレキシブル全固体薄膜電池」を提案し、実現のボトルネックとなる「負極」に関する革新構造の開発と新学理の構築を目的とする。グラファイトは二次電池の負極として豊富な実績をもつが、合成に必要な温度が高い。研究代表者は、炭素と金属の「層交換現象」を世界に先駆けて発見するとともに、プラスチック上に従来最高品質のグラファイト膜（多層グラフェン）を直接合成し、負極動作を初めて実証した。一方で、多層グラフェンが「基板に平行な膜」であることによる特有の課題が顕在化した。そこで本研究では、前人未到の「バーティカル・グラフェン構造」を創出する。Liイオンのインターカレーション（挿入・脱離）サイトを飛躍的に増大させることで、負極性能を劇的に向上することを目指す。
本年度は、バーティカル・グラフェン構造の合成技術の構築を目指し、研究を行った。当初の計画においては、金属触媒（Ni）の微細加工プロセスを利用した層交換法による配向制御を検討していた。一方、本研究と並行して検討していたコインセル用下地金属箔の選定の過程で、金属種をTaとした場合にバーティカル・グラフェン構造が自己組織的に形成されることを発見した。微細加工プロセスを用いずに所望の構造が得られる点で、当初計画の手法に対して大きなアドバンテージがある。現在、メカニズムの解明と二次電池特性の評価を進めている。また、微細加工プロセスの検討過程において、電気伝導度の高い多層グラフェン細線が得られることが判明した。グラフェンの配線応用を開拓する結果であり、別途、研究を進めていく。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、軽くて柔らかい次世代型二次電池「フレキシブル全固体薄膜電池」の実現に向け、Liイオンのインターカレーション（挿入・脱離）サイトが電解質側に面した「バーティカル・グラフェン構造」をもつ炭素負極を開発することを目的としている。本年度は（1）金属触媒の微細加工プロセスを利用したバーティカル・グラフェンの層交換合成、および（2）負極下部電極種の検討を遂行した。
（1） 金属触媒の微細加工プロセスを利用したバーティカル・グラフェンの層交換合成
層交換法で形成した多層グラフェンにおいては、グラフェンのC面が炭素／金属の界面と平行に配向する。したがって、金属をウォール状に加工し、炭素／金属界面を基板垂直方向に形成できれば、層交換後の多層グラフェンは垂直方向に配向することが期待される。しかし、Ni膜をウォール状に加工した上で非晶質炭素をスパッタリング製膜して熱処理したところ、層交換が誘起されなかった。これはNiウォールのアスペクト比に起因する可能性があり、より厚いNi膜を微細加工することで、炭素／金属界面を拡大する必要があると考えられる。
（2） 負極下部電極種の検討
炭素負極の下部には金属電極が必要だが、層交換過程で触媒金属（Ni）と下部電極との反応を避けるため、金属電極種の選定が必須である。いくつかの金属を検討した結果、特にMoとTaで優れた多層グラフェンの層交換合成が発現することが明らかとなった。一方、Mo上では、基板（炭素／金属界面）に平行に配向した多層グラフェンが得られるのに対し、Ta上では、基板垂直方向に配向した多層グラフェンが得られることが判明した。これは予想外の結果であり、当初計画を凌ぐ簡易な方法でバーティカル・グラフェン構造が実現したと言える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまで、金属触媒を用いて合成したグラフェンは基板と平行方向に配向することが常識であった。しかし、層交換を用いた場合、下地金属種によって配向性が変化し、バーティカル・グラフェン構造が容易に得られることが判明した。当初計画を上回る優れた成果であり、今後、本現象を主軸に研究を進めていく。具体的には、以下の2項目を研究する。
（1） 多層グラフェン縦型配向のメカニズム解明
コインセル用電極をTa箔とすることでバーティカル・グラフェン構造が得られたが、そのメカニズムは明らかになっていない。原因として、グラフェン／下地金属界面エネルギーの変化、金属触媒（Ni）の状態変化、基板凹凸の変化などが挙げられる。これらの可能性について検証を行い、バーティカル・グラフェン構造の形成メカニズムおよび制御指針を明らかにする。
（2） バーティカル・グラフェン構造の膜厚依存性調査
電池負極として十分な負極特性を得るためには、厚い炭素膜を合成する必要がある。当初計画では、金属の微細加工を経て形成したバーティカル・グラフェン構造を種結晶とし、化学気相成長による厚膜化を検討していた。しかし、下地をTaとするだけでバーティカル・グラフェン構造ができるのであれば、層交換で直接、厚い多層グラフェン（グラファイト膜）を合成できる可能性がある。多層グラフェンの配向性について膜厚依存性を調査し、層交換による厚膜バーティカル・グラフェンの直接合成を目指す。
|
