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カーボンナノチューブ | グラフェン | 電池材料

ナノ材料と自己組織化

 物質の構造をナノスケールで制御すると新機能を創製でき、 エネルギー・環境、情報など、広範にイノベーションを起こすことができます。 当研究室はナノテクノロジーの基盤構築を目指しています。

 例えば、未来のクリーンエネルギーシステムを考えてみましょう。 太陽電池で大規模発電するには高純度シリコンの有効利用が鍵で、 薄膜状の単結晶製造でブレークスルーを目指しています。 光から電気を作る太陽電池、電気から光を得るディスプレイ・照明ともに、 光も電気も流す透明電極が重要で、 希少元素に頼る現状からカーボンナノチューブ・グラフェンによる脱却を図ります。 ナノチューブのシリコンナノ粒子とのハイブリッドはリチウムイオン電池を 高性能化して自動車を動かすのに有望です。 このように炭素とシリコンに元素を絞っても、広範にイノベーションを 起こせることがナノテクノロジーのインパクトで、 資源面でもサステナビリティーに欠かせません。

 ただ、原子・分子を人為的に操作していては、ナノ材料をマクロスケールに 製造できません。無数の原子・分子が自然に組み上がる自己組織化が不可欠です。 原子・分子の化学反応過程から、ナノ構造体、更に高次構造体の形成過程を 基礎的に理解するとともに、自由な発想で新しいプロセスを提案・開発しています。

カーボンナノチューブ

 単層カーボンナノチューブは、nmの細さとmmの長さを持つ特異な1次元材料です。 物理・理学分野により特異な性質が明らかにされ、多様な用途が提案されています。 一方で、極少量しか作れず金よりも高価、応用は進んでいません。 ものづくりでは化学・工学が主役、私たちは単層カーボンナノチューブの ミリメータースケール高速成長技術を開発、実用的な合成法の確立を目指しています。 また、フレキシブルエレクトロニクス、太陽電池、二次電池/キャパシタなどへの 応用にも取り組んでいます。
詳細はこちらをご覧下さい。
  • 陳 忠明 (D1): CNTの流動層合成と二次電池応用
  • 羅 ヌリ (D1): 稠密な多層CNTピラーの低温形成と配線応用
  • 片岡 佑介 (M2): CNTフレキシブル電極・配線の簡易製造
  • 今 佑介 (M2): 基板法および流動層法によるCNTのカスタム合成
  • 白江 宏之 (B4): フレキシブルデバイスに向けたCNTネットワークのパターン形成
  • 山口 麻衣 (B4): 単層CNTの火炎合成

世界トップクラスのSWCNT高速成長
高解像度版はこちら


流動層大量合成:動画はこちら

グラフェン

 グラフェンは原子一層からなる特異な二次元ナノ材料で、 優れた導電性・透明性・機械特性などを有し、多様な応用が期待されています。 しかし実用的な合成技術の開発は、未だこれからです。私たちは、電子デバイス応用で必要とされる基板上に直接グラフェンをパターン合成する技術や、 太陽電池やタッチパネルなどで要求される良質なグラフェンを低コスト合成する技術を開発しています。
  • 増田 竜也 (M2): CVD法による触媒上でのグラフェン合成と気相拡散制御による膜質向上
  • 小坂 昌輝 (M1): 金属フリーグラフェンの基板上直接形成と構造制御
  • 大川 朝陽 (B4): CVD法グラフェンの転写と触媒の繰り返し利用

電池材料

 シリコンは半導体集積回路にて情報社会を支えています。 同時に、主流の太陽電池として、再生可能エネルギーの一翼を担っています。 更に、リチウムイオン電池の負極として最大の理論容量を持つ材料でもあります。 また、カーボンナノチューブやグラフェンもエネルギーデバイスの 性能を革新すると期待されています。 私たちは、クリーンエネルギーの大規模普及への貢献を目標に、 珪素と炭素というありふれた元素を用いて良いモノを低コストで大規模に作るべく、 研究開発を進めています。
  • 李 重昊 (D3): 多孔質シリコンの急速蒸着とリチウムイオン電池応用
  • キンテーロ レストレポ リカルド (D2): ナノカーボン・スーパーキャパシターの開発
  • 廣田 幸祐 (M2): 急速蒸着-エピタキシャルリフトオフ法による太陽電池用単結晶シリコン薄膜製造
  • 房 楠 (B4): シリコン合金の急速蒸着とリチウムイオン電池応用

太陽電池用単結晶Si膜の1分蒸着と剥離


リチウムイオン電池用多孔質Si膜の1分蒸着

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早稲田大学 先進理工学部
応用化学科 野田研究室