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

• 研究課題/領域番号: 20K14701
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分20020:ロボティクスおよび知能機械システム関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 山田 駿介 東北大学, 工学研究科, 助教 (50811634)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: メカニカルメタマテリアル / スーパーキャパシタ / ナノポーラス構造 / フレキシブルデバイス / イオニクス / メタマテリアル

研究開始時の研究の概要

本研究では、スーパーキャパシタの単位体積あたりの容量を増大し、柔軟性を付与することで、フレキシブルエレクトロニクスの電源としての応用を目指す。電極の構造として、従来のピラー構造ではなく、機械的特性の優れたメカニカルメタマテリアルを導入することで、表面積の増大と柔軟性を獲得する。作製した電極に電解質を充填して、スーパーキャパシタの容量特性を評価する。本研究の最終目標は、スーパーキャパシタ特性改善であるが、本研究を継続することで、電気化学デバイス、すなわち、ケミカルセンサ、電気化学アクチュエータ、リチウムイオン電池の特性改善を目指す。

研究成果の概要

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した。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・評価した。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できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、柔軟性と大きな静電容量をもつスーパーキャパシタを実現できた。これにより、ウェラブルデバイスや貼付け型デバイスなど、柔軟性が求められる素子を機械構造により柔軟にすることができる。本研究の延長には、貼り付け型デバイスに搭載されたセンサによる、きめ細やかなヘルスケアの実現と安心安全な社会の実現が期待できる。