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2013 年度 実績報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 25249111
研究種目

基盤研究(A)

研究機関早稲田大学

研究代表者

野田 優  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50312997)

研究期間 (年度) 2013-10-21 – 2017-03-31
キーワードナノ界面 / 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
研究概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (14件) (うち招待講演 5件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Carbon nanotube 3D current collectors for lightweight, high performance and low cost supercapacitor electrodes2014

    • 著者名/発表者名
      R. Quintero, D.Y. Kim, K. Hasegawa, Y. Yamada, A. Yamada, and S. Noda
    • 雑誌名

      RSC Adv.

      巻: 4 ページ: 8230-8237

    • DOI

      10.1039/C3RA47517D

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Methane-assisted chemical vapor deposition yielding millimeter-tall single-wall carbon nanotubes of smaller diameter2013

    • 著者名/発表者名
      Z. Chen, D.Y. Kim, K. Hasegawa, and S. Noda
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 7 ページ: 6719-6728

    • DOI

      10.1021/nn401556t

    • 査読あり
  • [学会発表] 気相法での多様な膜構造形成と多様な相と場でのナノ構造形成

    • 著者名/発表者名
      野田優
    • 学会等名
      化学工学会関東支部 第44回Continuing Educationシリーズ講習会
    • 発表場所
      東京都文京区
    • 招待講演
  • [学会発表] カーボンナノチューブの触媒成長の理解、カスタム合成と応用

    • 著者名/発表者名
      野田優
    • 学会等名
      日本機械学会 機械材料・材料加工部門 第13回M&Pサロン
    • 発表場所
      東京都新宿区
    • 招待講演
  • [学会発表] カーボンナノチューブの触媒成長の理解、カスタム合成と応用

    • 著者名/発表者名
      野田優
    • 学会等名
      東北大電気通信研究所・早大ナノ機構 共同プロジェクト研究発表会
    • 発表場所
      宮城県仙台市
    • 招待講演
  • [学会発表] Understanding & customizing rapid millimeter-scale growth of carbon nanotubes

    • 著者名/発表者名
      S. Noda
    • 学会等名
      Royal Society International Scientific Seminar, Nanomaterials by Design - Manufacturing carbon nanomaterials for future markets
    • 発表場所
      The Royal Society at Chicheley Hall, Buckinghamshire, UK
    • 招待講演
  • [学会発表] Fluidized Bed CVD of Submillimeter-Long Carbon Nanotubes Using an Internal Heat-Exchange Reactor

    • 著者名/発表者名
      Z. Chen, K. Hasegwa, D.Y. Kim, T. Osawa, and S. Noda
    • 学会等名
      第46回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • 発表場所
      東京都文京区
  • [学会発表] Carbon nanotube 3D current collectors for lightweight, high performance and low cost electrochemical capacitor electrodes

    • 著者名/発表者名
      R. Quintero, D.Y. Kim, K. Hasegawa, Y. Yamada, A. Yamada, and S. Noda
    • 学会等名
      第46回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • 発表場所
      東京都文京区
  • [学会発表] Efficient production of submillimeter-long carbon nanotubes and their application to energy-storage and flexible devices

    • 著者名/発表者名
      S. Noda
    • 学会等名
      International Workshop on Energy Devices and Nanotechnology
    • 発表場所
      Yonezawa, Yamagata
    • 招待講演
  • [学会発表] 含浸担持触媒を用いたカーボンナノチューブの流動層合成

    • 著者名/発表者名
      川端孝祐,陳忠明,長谷川馨,金東榮,大沢利男,野田優
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜県岐阜市
  • [学会発表] Fluidized bed CVD of carbon nanotubes of smaller diameter using an internal heat-exchange reactor

    • 著者名/発表者名
      陳忠明,長谷川馨,金東榮,大沢利男,野田優
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜県岐阜市
  • [学会発表] Electrochemical capacitor electrodes of nanocarbons captured in nanotube matrix

    • 著者名/発表者名
      R. Quintero,金東榮,長谷川馨,山田裕貴,山田淳夫,野田優
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜県岐阜市
  • [学会発表] 電気化学キャパシタを目指したカーボンナノチューブ構造体電極の作製と評価

    • 著者名/発表者名
      長谷川馨,R. Quintero,成林美里,野田優
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜県岐阜市
  • [学会発表] 電気化学キャパシタを目指したカーボンナノチューブ自立膜とMnO2粒子の複合電極の作製

    • 著者名/発表者名
      成林美里,長谷川馨, 門間聰之,逢坂哲彌,野田優
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜県岐阜市
  • [学会発表] Li二次電池負極を目指した柔軟性電極上への多孔質Si膜の急速蒸着と電気化学評価

    • 著者名/発表者名
      房楠,長谷川馨, 門間聰之,逢坂哲彌,野田優
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜県岐阜市
  • [学会発表] Rapid vapor deposition and electrochemical characterization of thick and porous Si-Cu films for lithium secondary battery anodes

    • 著者名/発表者名
      李重昊,長谷川馨, 門間聰之,逢坂哲彌,野田優
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜県岐阜市
  • [備考] 野田研究室ホームページ

    • URL

      http://www.f.waseda.jp/noda/index-j.html

  • [備考] Noda Lab's Home Page

    • URL

      http://www.f.waseda.jp/noda/index.html

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公開日: 2015-05-28  

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