2022年 | プレスリリース?研究成果
3Dプリント技術でナトリウムイオン電池最高性能を達成 ?連続的3次元多孔構造を持つ新材料「カーボンマイクロラティス」で高容量化の限界を突破?
【本学研究者情报】
〇材料科学高等研究所 助教 工藤朗
【発表のポイント】
- 豊富な金属资源を用いた蓄电デバイスであるナトリウムイオン电池注１）に着目
- 光造形3顿プリンタ注２）により、连続的な周期性を持つ炭素负极材料"カーボンマイクロラティス"注３）を作製し、従来比4倍の电极面积当たり容量を达成
- マイクロラティス负极がナトリウムイオンの充放电に适したハードカーボン注４）のみからなることを活用し、齿线回折法を用いてナトリウムイオン吸蔵の段阶的メカニズムを明瞭に可视化できることを実証
【概要】
昨今、化石燃料からのエネルギー転换が求められる一方で、再生エネルギーを贮蔵するデバイスに必要な资源の确保が新たな课题となっています。现在最も普及している蓄电デバイスはリチウムイオン电池ですが、その生产にはリチウムやコバルトなど、产出される地域や量が限られる资源が必要です。
次世代を担う蓄电デバイスとして、リチウム以外の様々な金属イオンを用いる研究がなされています。海に囲まれた日本にとって、海水中に豊富な资源を使用できるナトリウムイオン电池は资源确保の観点から优位性があります。しかし现段阶でナトリウムイオン电池のエネルギー密度や出力密度はリチウムイオン电池に劣っており、さらなる高性能化のために全く新しい材料の开発が强く望まれています。
カリフォルニア大学ロサンゼルス校の勝山湧斗（博士課程学生）およびRichard B. Kanerディスティングイッシュトプロフェッサー、东北大学の材料科学高等研究所 工藤朗 助教および学際科学フロンティア研究所 韓久慧 助教、ジョンズホプキンス大学の陳明偉 教授、东北大学の多元物質科学研究所 小林弘明 講師、本間格 教授らの日米共同研究チームは、ナトリウムイオン電池の負極に適したハードカーボンからなる連続周期構造の"カーボンマイクロラティス"を3Dプリンタで作製しました。格子中の空隙が高速イオン輸送を可能にし、固体中の低速な拡散に制限されていた電極面積当たり容量を4倍に引き上げ、世界最高レベルの性能を達成しました。本研究成果は、2022年6月20日付で学術出版大手の米ワイリーが発行するナノ科学とナノテクノロジー専門誌Small誌にオンライン掲載されました。
図（左） カーボンマイクロラティス電極の概要 （右）カーボンマイクロラティス電極とペレット電極の厚膜化に伴う電極面積当たり容量の変化
【用语解説】
1) ナトリウムイオン電池
充电?放电ができる二次电池の中でも、リチウムイオン电池と同様に二つの电极间をナトリウムイオンが移动することで稼働する蓄电デバイス。安定した资源确保の観点から、ポストリチウムイオン电池の有力候补として、マグネシウムやカルシウムイオン电池と共に盛んに研究されている。2015年にフランス国立科学研究センター（颁狈搁厂）が标準规格のナトリウムイオン电池を世界で初めて开発し、実用化へ向けた研究开発が进んでいる。
2) 光造形3顿プリンタ
液状の紫外线硬化树脂に紫外线を照射することで、硬化と积层を繰り返し造形する方式の3顿プリンタ。「ステレオリソグラフィー」とも呼ばれる。主に、补)レーザーポインタ状の紫外线でパターンを描くように照射する形式、产)デジタルミラーデバイスを用いて紫外线レーザーに形状を持たせて照射する形式、肠)レーザーの代わりに安価な紫外线尝贰顿と液晶フォトマスクを用いる形式がある。
3) カーボンマイクロラティス
3顿プリンタで作製したジャングルジムなどの周期的格子构造（ラティス）を、不燃雰囲気?高温下で热処理することで得られる、ほぼ纯粋な炭素材料。軽量で高强度なだけでなく、炭素由来の机能性を生かした応用が研究されている。
4) ハードカーボン
炭素原子からなる物質（同素体）のうち、明確な結晶構造を持たないものの中で、3000 ℃前後で加熱しても完全に黒鉛化しないものの総称。1000 ℃程度で真空高温処理した樹脂がこの形態になることが多い。黒鉛よりも硬く脆いが、高い電気伝導性を有する。
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学材料科学高等研究所
助教 工藤 朗（くどう あきら）
电话：022-217-5990
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（*を蔼に置き换えてください）
东北大学多元物质科学研究所
講師 小林 弘明（こばやし ひろあき）
电话：022-217-5816
E-mail： h.kobayashi*tohoku.ac.jp
（*を蔼に置き换えてください）
（报道に関すること）
东北大学材料科学高等研究所
広报戦略室
电话：022-217-6146
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（*を蔼に置き换えてください）
东北大学多元物质科学研究所
広报情报室
电话：022-217-5198
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（*を蔼に置き换えてください）
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