2013 Fiscal Year Annual Research Report
3次元ナノ界面の大規模創製と、蓄電デバイス電極への展開
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25249111
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
野田 優 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50312997)
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| Project Period (FY) |
2013-10-21 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノ界面 / 3次元化 / カーボンナノチューブ / シリコン / 高速製膜 / 蓄電応用 |
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| Research Abstract |
代表者ら自ら3次元ナノ界面の構築を進め、連携者の協力を得て電気化学評価を進めた。
項目①シリコン系合金多孔質厚膜の急速蒸着およびポーラス電極の蓄電応用検討
集電体のCu板上にSi-Cu混合源を用いて急速蒸着を行った。CuはSiよりも蒸気圧が高く、蒸着初期にCu、後期にSiが優先的に蒸着され、Cu集電体から連続的にSi濃度が上昇する組成傾斜を持つ多孔質膜を実現した。充放電評価装置を新たに導入、Li金属を対極に充放電特性を評価、4 umの厚膜において0.2Cの充放電速度で50 cycleで1000 mAhという高容量を実現した。実電池では10-20 umと薄いCu箔を集電体に用いるが、Cu箔を集電体としたところ、Cu箔の変形で界面応力が緩和し、Cu無添加のSi多孔質膜でもサイクル特性が向上することを見出した。
項目②長尺CNTの連続合成、良導性CNTスポンジの開発、およびソフト電極の蓄電応用検討
半連続流動層法によるサブミリメータ長CNT合成において、内部熱交換反応器を検討、より大きい反応管にて均一加熱を可能とし、CNTの生産性を3倍向上した。また、セラミックビーズ上のFe触媒の担持量を減らし、直径6~7 nm、炭素純度99.7%と細く高純度な数層CNTの安定した合成を実現した。並行してCNTのキャパシタ電極利用の検討も進めた。活性炭粒子とCNTを混合分散、吸引ろ過し、活性炭-CNT自立膜を作製、重い金属集電体フリーのキャパシタ電極を開発した。また、CNTのみの分散・吸引ろ過でCNTスポンジを作製、これを電極に高容量活物質であるMnO2の電着によるキャパシタ電極の作製も検討した。新たに導入したマルチチャンネルポテンショスタットを用い、電流制御・電圧制御等、電着過程を制御し、MnO2ナノ粒子をCNTスポンジ中に形成できた。これら電極のキャパシタ特性をポテンショスタットで評価した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成25年10月23日に、追加採択として本研究課題はスタートした。この段階での研究員雇用は困難だったため、急遽、マルチチャンネルポテンショスタットと充放電評価装置という大型装置を導入した。従前のカーボンナノチューブ・多孔質シリコン膜の合成研究に加え、これら装置の導入により、リチウム二次電池負極、電気化学キャパシタ電極の開発と評価も急速に進展できた。提案時は平成25年4月からの12ヶ月の内容を計画していたが、追加採択後の5ヶ月強でその内容をほぼ遂行するとともに、CNT-金属酸化物複合電極というプラスアルファの成果も得ることができた。電気化学評価装置を順調に導入でき、かつ連携者の電気化学の専門家の協力を得て順調に立ち上げ使いこなせたことが大きな要因と考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に電気化学評価装置を導入したことで、研究設備を充実することができた。また、多くの学生が研究室配属され、本研究課題に関連するテーマに希望してついたため、実施者も増えて充実している。
一方で、追加採択のため直接経費が申請額の2/3に削られており、予定していた研究員の雇用ができずにいる。多くの学生を取りまとめ、研究を効率的に進めるためには研究員の確保が重要であり、研究費の復額のチャンスがあれば幸いです。
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