プラスチック上グラファイト薄膜の創製と革新二次電池への応用

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電気自動車や携帯機器のバッテリーの革新を目指し、二次電池の全固体化・薄膜化の研究が活発化している。中でも、軽くて柔らかい「フレキシブル全固体薄膜二次電池」は、どこにでも設置できることに加え、積層による高性能化が容易であり、「究極の電池形態」といえる。その実現のための要素技術として、負極材料であるグラファイト薄膜（厚い多層グラフェン）をプラスチック上に合成し、バルク・グラファイト級の負極特性を実証することを目標とした。昨年度までの研究において、プラスチック上へのグラファイト薄膜の合成を検討した結果、グラファイト薄膜/Ni/プラスチックという負極構造を合成することに成功した。グラファイト薄膜の負極特性を評価するためには、基板に金属箔を用いた負極を作製し、現行のコイン型電池に組み込む必要がある。そこで、Ni/非晶質C/Mo箔構造を製膜し熱処理することで、グラファイト/Ni/Mo箔構造を形成した。作製した試料とLiを対向させたコイン型電池を作製し、電池測定を行った。その結果、グラファイト薄膜のグラフェン層間へのLiイオンの脱挿入が確認でき、層交換合成したグラファイト薄膜の負極動作を実証した。また、層交換合成したグラファイト薄膜がバルク・グラファイトの理論容量を上回る容量を持つことが明らかとなった。層交換合成したグラファイト薄膜はバルク・グラファイトに比べて欠陥や粒界などのスキマを多く有するため、グラフェン層間へのLiイオンの脱挿入に加えて、スキマへのLiイオンの脱挿入が容量に寄与することに起因する。このため、バルク・グラファイトを上回る容量が得られたと考えられる。以上の研究により、プラスチック上グラファイト薄膜合成を達成するとともに、良好な二次電池負極特性を得られ、DC1における提案内容を完遂した。