グラフェン層間に２層アルカリ金属の最密配列を発見 ～電池容量を増大させる可能性を示唆～

https://www.jst.go.jp/pr/announce/20240124-2/index.html

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ポイント

• グラフェン層間におけるアルカリ金属の２層構造を発見
• グラフェン層間のアルカリ金属は、グラファイト表面の層間に特有の拡張性により最密充填（じゅうてん）される
• 電気自動車や通信機器に向けた２層〜少数層グラフェン電極による大容量２次電池の開発に期待

産業技術総合研究所 ナノ材料研究部門 電子顕微鏡グループ 林 永昌 主任研究員、大阪大学 末永 和知 教授、東京工芸大学 松本 里香 教授、九州大学 吾郷 浩樹 教授、台湾国立清華大学 Ｃｈｉｕ Ｐｏ－Ｗｅｎ（邱 博文） 特別教授らは、炭素原子が１個の厚さで六角形の格子状に並んだグラフェンの層間に高密度でアルカリ金属を挿入する技術を開発し、原子の配置構造を直接観察することに成功しました。

２次電池の性能は、電気自動車の走行距離やスマートフォンの使用時間などに影響を与える主要な指標の１つです。２次電池が、より大きな電気容量を蓄積できるようになれば、これらの電子デバイスの性能を向上させることができます。電池の電極材料である黒鉛（グラファイト）は、グラフェンが層状に重なり、層間に配置されたアルカリ金属が電子を受け渡すことで、充電・放電を行います。もし、グラフェン層間に高密度でアルカリ金属を充填できれば、電気容量が向上するでしょう。

過去百年にわたり、Ｘ線や電子回折の測定を通じて、グラフェン層間には単層のアルカリ金属しか充填できないと広く認識されており、各層が完全に充填された状態が理論的な充電極限と考えられてきました。しかし、層間アルカリ金属の原子配置を直接観察し、グラフェン層がアルカリ金属原子を単層でしか収容できないのか、それとも他の技術によって、より高密度または複数層のアルカリ金属を収容できるのかを検証する研究報告はありませんでした。

私たちは、グラフェンの間にアルカリ金属を高密度に挿入する技術を開発しました。高性能電子顕微鏡により、層間のアルカリ金属原子の配置構造を直接観察することにも成功しました。電極として広く用いられてきたグラファイトには、１層構造のみが形成されますが、グラフェン層間のアルカリ金属は、グラファイト表面のグラフェン層間に特有な層間隔の柔軟な拡張性により、およそ２倍のアルカリ金属を挿入できる２層構造で最密充填されることを発見しました。アルカリ金属を２層に挿入したグラフェンを積層できれば、それを電極材料にしてアルカリイオン２次電池の大容量化が期待されます。

なお、この技術の詳細は、２０２４年１月２４日（イギリス時間）に「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」に掲載されます。

本研究開発は、文部科学省 科学研究費補助事業・学術変革領域研究（Ａ）「２．５次元物質科学：社会変革に向けた物質科学のパラダイムシフト」（１８Ｈ０３８６４、２１Ｈ０５２３２、２１Ｈ０５２３３、２１Ｈ０５２３５、２２Ｈ０５４７８、２２Ｆ２２３５８、２３Ｋ１８８７８）（領域代表・吾郷 浩樹）および科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ「原子・分子の自在配列・配向技術と分子システム機能」（研究総括・君塚 信夫（ＪＰＭＪＣＲ２０Ｂ１） ）の一環として行われました。

＜プレスリリース資料＞

• 本文　ＰＤＦ（１．７６ＭＢ）

＜論文タイトル＞

“Alkali Metal Bilayer Intercalation in Graphene”

ＤＯＩ：10.1038/s41467-023-44602-3

＜お問い合わせ先＞

• ＜研究に関すること＞

  林 永昌

  産業技術総合研究所 ナノ材料研究部門 電子顕微鏡研究グループ 主任研究員
  〒305-8565 茨城県つくば市東１－１－１ 中央第５
  Tel：029-861-3213
  E-mail：yc-linaist.go.jp

  末永 和知（スエナガ カズトモ）

  大阪大学 産業科学研究所 教授
  〒567-0047 大阪府茨木市美穂ヶ丘８－１ 大阪大学 産業科学研究所 末永研究室（Ｓ４１７号室）
  Tel：06-6879-8431
  E-mail：suenaga-kazusanken.osaka-u.ac.jp

  松本 里香（マツモト リカ）

  東京工芸大学 教授
  〒243-0297 神奈川県厚木市飯山南５－４５－１
  Tel：046-242-9575
  E-mail：mrikat-kougei.ac.jp

  吾郷 浩樹（アゴウ ヒロキ）

  九州大学 教授
  〒816-8580 福岡県春日市春日公園６－１ グローバルイノベーションセンター
  Tel：092-583-8852
  E-mail：ago.hiroki.974m.kyushu-u.ac.jp

  邱 博文（ＣＨＩＵ，Ｐｏ－Ｗｅｎ）

  台湾国立清華大学 教授
  Department of Electrical Engineering, National Tsing Hua University, Kuang-Fu Rd. 101, Sec. 2, Hsinchu 30013, TAIWAN
  

  Tel：+886-3-5742437
  E-mail：pwchiuee.nthu.edu.tw

• ＜ＪＳＴ事業に関すること＞

  安藤 裕輔（アンドウ ユウスケ）

  科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
  〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
  Tel：03-3512-3531　Fax：03-3222-2066
  E-mail：crestjst.go.jp

• ＜報道担当＞

  産業技術総合研究所 ブランディング・広報部 報道室

  E-mail：hodo-mlaist.go.jp

  大阪大学 産業科学研究所 広報室

  Tel・Fax：06-6879-8524

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