【蓄電】東大とMIT、3層CNTを厚さ数十μmに組織化して用いたセラミックスフリーのリチウム電池を開発

東大とMIT、3層CNTを用いたセラミックスフリーのリチウム電池を開発

東京大学(東大)と米マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究グループは、独自手法によって
連続大量合成した高品位の3層カーボンナノチューブ(CNT)を厚さ数十μmに組織化して
柔軟な自立膜を作製し、これをリチウム電池のプラス極として単独で機能させることに成功
したことを発表した。同成果は、東大の山田淳夫教授、野田優准教授、山田裕貴助教
およびMITのYang Shao-Horn准教授らによるもので、英国王立化学協会の学術雑誌
「Energy&Environmental Science」(オンライン版)に掲載された。

現在のリチウムイオン電池のプラス極には、高価なレアメタルを含み、700℃以上の高温で
合成されるLiCoO2やLiNiO2、LiMn2O4などのセラミックスが使われており、電池製造原価
の半分程度を占めている。

また、これらの重金属は毒性リスクがあり、環境中への排出許容濃度の法的基準が厳格に
定められており、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車、スマートグリッド用など、蓄電
池の大規模な社会導入に当たっては、資源戦略や毒性リスク、製品ライフサイクルにおける
総合的環境負荷低減効果を考慮する必要性が指摘されていることから、構成材料の
"セラミックスフリー化"の実現は、電池技術が最終的に目指すべき方向とされている。

こうした要請に対し、地球資源の制約がなく、バイオマスから生産、再生可能な理想的な
プラス極材料としてLixC6O6(2＜x＜6)などの有機分子が提案されており、ゆっくりと数回の
充放電を繰り返す限りは、セラミックス材料と同等以上の特性が報告されている。しかし、
電極応用にむけては、分子同士を高密度に凝集させ分子の間の電子の流れを確保する
ことや、分子の構造を安定に保つことが課題となっていた。

研究グループは、有機分子の強固な凝集体として位置付けられ、連続導電経路も確保
できるCNTに酸素による単純な表面化学修飾を施すだけで、リチウムと高電圧で反応
可能になるというMITの研究に注目したが、容易に入手可能な10層以上の導電性多層
チューブでは、リチウムが近づくことのできない内部の多くのカーボン原子が無駄になってしま
うほか、剛直で変形しないため、電極形成には糊で固める必要があり、糊が化学修飾した
表面部分を覆ってしまう問題があり、これまでのMITの研究でもプラスとマイナスに帯電させる
化学処理を行った多層チューブを、導電フィルム上に交互に堆積させる非工業的手法で
長時間かけて組織化した、2μm以下程度の薄膜でしか電極機能が確認されていなかった。

一方、単層ナノチューブであれば柔軟で自立膜の形成も可能であるが、炭素原子の"巻き
方"によって金属になったり半導体になったりするばかりでなく、化学修飾を行うと唯一の"
グラフェン"層が破壊され、導電性が失われるという課題や、作製が極めて困難で、1g当たり
の価格が10万円前後となり、実使用に適用することが困難であるといった課題があった。

そこで今回の研究では、野田准教授が開発した画期的連続製造プロセスにより大量合成
した「長尺3層ナノチューブ」によって、これらの問題の解決を試みたという。従来の基板上
への単発CVD成長ではなく、反応炉内でセラミックスビーズを反応ガスにより流動化させ、
反応ガス種を切り替えることで、ビーズ上への制御された触媒ナノ粒子の付着、触媒上
での直径と長さの揃ったナノチューブの高速成長と、ナノチューブの粉体状態での分離・
回収を繰り返し、大量の高純度試料を連続的に得るというもので、今回は、チューブの
平均直径が3層相当に、各チューブが0.4mm程度の長尺となるように条件を制御した。

3層ナノチューブでは、最外層に酸化還元機能のための化学修飾を施しても、内部の2層は
常に金属状態を保持するため、この3層構造は電極機能を発揮するための最も効率的な
最小構造であるという。また、長尺で柔軟性も併せ持つ3層ナノチューブを用いれば、形状に
自由度を持たせつつ高強度な自立膜を組織することができ、膜内での導電経路も効率的に
形成されるとも考えた結果であるという。

http://news.mynavi.jp/news/2011/12/08/024/images/011l.jpg
3層CNTの電極材料としての必然性

マイナビニュース　2011/12/08
http://news.mynavi.jp/news/2011/12/08/024/index.html
>>2辺りに続く

この高品位長尺3層ナノチューブへの化学修飾法と自立膜作製法を東大とMITが共同
開発、その結果、従来比約10倍の導電性を有しながら、約10倍の厚み(約20μm)の
柔軟な自立厚膜電極が作製され、この電極は、1.5V-4.5Vの高電圧で動作し、現在の
リチウムイオン電池に実用化されているセラミックス材料と同等レベルの電気を、高速で
可逆性良く蓄えることが可能であることが確認されたという。

http://news.mynavi.jp/photo/news/2011/12/08/024/images/013l.jpg
3層CNTの連続大量合成プロセス

少なくとも1000回の繰り返し使用ではまったく劣化しない。柔軟な自立厚膜の状態で機能
することが確認され、現在のリチウムイオン電池において、電極の固定と電子の供給のために
使用されている導電助剤やバインダー(糊)のみならず、金属集電フィルムも使用する必要が
なくなることから、電池のエネルギー密度をさらに高めることも可能になるという。

http://news.mynavi.jp/news/2011/12/08/024/images/013l.jpg
柔軟性を有する3層CNTの自立厚膜

なお、研究グループでは今後、実用展開に向けた最適化を進めることで性能を向上させ、
実用展開につなげていきたいとしている。

http://news.mynavi.jp/news/2011/12/08/024/images/014l.jpg
化学修飾が施された3層CNT自立厚膜の電極特性

Self-standing positive electrodes of oxidized few-walled carbon nanotubes for light-weight and high-power lithium batteries
Seung Woo Lee, Betar M. Gallant, Youngmin Lee, Noboru Yoshida, Dong Young Kim,
Yuki Yamada, Suguru Noda, Atsuo Yamada and Yang Shao-Horn
Energy Environ. Sci., 2012, Advance Article　DOI: 10.1039/C1EE02409D, Paper
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/ee/c1ee02409d

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実現まであと20年

　誰　も　知　ら　な　い　マ　イ　ナ　ー　雑　誌

CNTでさえしゅうしょく出来るというのに、おまえらときたら。

>>4
今年創刊だったか・・・　ま、そこそこ有名人が論文出してるけどね。’

＞リチウム電池

どうせ実用化したら韓国に追い抜かれる

んなことぁない

>>4
でも結果は地味に凄くね？

のだゆう。
のだゆう。
のだゆう。

>>4
Energy & Environmental Science's latest Impact Factor is 9.488 - making it the #1 ranking journal in its ISI subject category.

男優がまんこなめて、つばたれまくって、ほらもうこんなにぬれてるよって

かきまわしてんのが一番いや

日本は燃料電池に特化したほうがいいんじゃね

いつくるかわからん燃料電池より今来ている二次電池だろ

今来てる二次電池を今基礎研究するのか・・・

うちもやってるけど、商売としてそれでいいのかねぇ

電解液つかうリチウムイオンはもうすぐ終わるさ、
次世代は全固体タイプに確定しているわけで。→トヨタなどが製品量産手前まで

理由は簡単で電解液による電極の結晶成長（内部ショートの原因）や
電解液漏れが物理的に消滅する。内部でイオン交換はしても粒子移動がない
ので発火の危険性が限りなくゼロになる。
内部結晶成長が無いと充放電回数を増やせる利点もある。

例の「NAS電池のトラブル」、何時解決しそうか、誰か知らない？

茄子は心配だね

MITのYang Shao-Horn？
http://web.mit.edu/eel/htms/people.htm

CNT固体内に含まれる不純物のアモルファスカーボンでリチウム電池を開発(爆笑

東大とMITのコラボなんだから、もうちょっとマシな研究をしような。
スーパーグロースで不純物の役割が散々言い尽されてるんだからさｗ

論文の内容はしょぼかった

Coは確かに高いだろうが、NiやMn迄悪玉見たいに書いてあって、そこに引っかかり中を読むのをやめてしまった。

野田は微妙な研究しかしてないからなぁ。
いまいちぱっとしない発表しかしてない。