【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所　助教　工藤朗
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 豊富な金属資源を用いた蓄電デバイスであるナトリウムイオン電池^注１）に着目
• 光造形3Dプリンタ^注２）により、連続的な周期性を持つ炭素負極材料"カーボンマイクロラティス"^注３）を作製し、従来比4倍の電極面積当たり容量を達成
• マイクロラティス負極がナトリウムイオンの充放電に適したハードカーボン^注４）のみからなることを活用し、X線回折法を用いてナトリウムイオン吸蔵の段階的メカニズムを明瞭に可視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換が求められる一方で、再生エネルギーを貯蔵するデバイスに必要な資源の確保が新たな課題となっています。現在最も普及している蓄電デバイスはリチウムイオン電池ですが、その生産にはリチウムやコバルトなど、産出される地域や量が限られる資源が必要です。

次世代を担う蓄電デバイスとして、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、海水中に豊富な資源を使用できるナトリウムイオン電池は資源確保の観点から優位性があります。しかし現段階でナトリウムイオン電池のエネルギー密度や出力密度はリチウムイオン電池に劣っており、さらなる高性能化のために全く新しい材料の開発が強く望まれています。

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、東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、東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。

【用語解説】

1) ナトリウムイオン電池
充電・放電ができる二次電池の中でも、リチウムイオン電池と同様に二つの電極間をナトリウムイオンが移動することで稼働する蓄電デバイス。安定した資源確保の観点から、ポストリチウムイオン電池の有力候補として、マグネシウムやカルシウムイオン電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（CNRS）が標準規格のナトリウムイオン電池を世界で初めて開発し、実用化へ向けた研究開発が進んでいる。

2) 光造形3Dプリンタ
液状の紫外線硬化樹脂に紫外線を照射することで、硬化と積層を繰り返し造形する方式の3Dプリンタ。「ステレオリソグラフィー」とも呼ばれる。主に、a)レーザーポインタ状の紫外線でパターンを描くように照射する形式、b)デジタルミラーデバイスを用いて紫外線レーザーに形状を持たせて照射する形式、c)レーザーの代わりに安価な紫外線LED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
3Dプリンタで作製したジャングルジムなどの周期的格子構造（ラティス）を、不燃雰囲気・高温下で熱処理することで得られる、ほぼ純粋な炭素材料。軽量で高強度なだけでなく、炭素由来の機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。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学材料科学高等研究所
助教 工藤　朗（くどう　あきら）
電話：022-217-5990
E-mail：akira.kudo.b8*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

東北大学多元物質科学研究所
講師 小林 弘明（こばやし ひろあき）
電話：022-217-5816
E-mail： h.kobayashi*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学材料科学高等研究所
広報戦略室
電話：022-217-6146
E-mail：aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

東北大学多元物質科学研究所
広報情報室
電話：022-217-5198
E-mail：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）