グラフェン 電池。 Samsungは2021年までに「グラフェンバッテリー」搭載スマホを発売か

グラフェン市場の需要、生産の成長、トップキープレーヤー、2026年までの予測

グラフェン 電池

次世代バッテリーと呼ばれる『グラフェン』が凄い。 スマホの普及や高性能化、EV(Electric Vehicle)の浸透…。 もはや、現代社会の陰の立役者となっているのが、 今回のテーマの『バッテリー』。 つまり、充電池です。 充電池といっても、その種類は多種多様。 ニカド電池・ニッケル電池、高校化学でおなじみの鉛蓄電池などある。 リチウムイオンバッテリーは完璧ではなく、欠点もまだまだ多い。 発電と蓄電を同時に行える。 バッテリー容量が大きくできる。 充電時間が短い。 (満充電まで30分) 見識のある人が調べればもっとあるのでしょうが、私が理解できた範囲だとこのような感じでした。 このグラフェンバッテリーの特徴は研究段階込みなので、実際にこの状態で市場に出てくるかは、まだ何とも言えないはずです。 先程のグラフェンの特徴から察するに、おそらくバッテリー容量を大きくできるのは、グラフェンの表面積が広いからでしょう。 充電時間が短いのは、高伝導率だからだと推測。 グラフェン自体、高い強度を誇っているので、衝撃や破損に考慮しないといけないリチャージブルなバッテリーには、トータル的に適していたということだと思います。 現時点でもっとも使われている『リチウムイオンバッテリー』は、充電時間も長いですし、充電やバッテリー利用時の発熱も結構あります。 また、充電池としての寿命もせいぜい500回程度のサイクルなので、リチウムイオンバッテリーがベストな充電池とは言えないでしょう。 グラフェンをバッテリーに応用すると、Samsungや大邱慶北科学技術院が発表しているとおりならば、このリチウムイオンバッテリーのデメリットをまとめて払拭できることになるはずです。

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Samsungは2021年までに「グラフェンバッテリー」搭載スマホを発売か

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説明 [ ] ダイヤモンド以上に炭素同士の結合が強く、平面内ではダイヤモンドより強い物質と考えられている。 物理的にもとても強く、世界で最も引っ張りに強い。 熱伝導も世界で最も良いとされ、電気の伝導度もトップクラスに良い物質である。 完全なグラフェンは、六角形の集合のみからなり、やのセルはとなる。 五角形のセルが孤立して存在するときには、平面は状にとがってしまう(12個の五角形セルはを作る)同じように七角形のセルが孤立したものはシートを型に曲げる。 五角形や七角形セルの導入を制御することでのような様々な形状を生み出すことができる。 1層からなるカーボンナノチューブは筒型のグラフェンとみることができる(6個の五角形セルからなるグラフェンの半球キャップが末端についていることもある)。 二次元物質グラフェンに関する先駆的実験により2010年に(Andre Geim)と(Konstantin Novoselov)はを受賞した。 製法 [ ] 2000年代になるまでグラフェンを入手することが困難で長年この分野の研究が進まなかった。 2004年に(スコッチテープ)に(黒鉛)のかけらを貼り付けて剥がすことでグラフェンを得られるようになったことで、グラフェンの応用研究が進んだ。 は二次元状のグラフェンが複数積層した物でグラフェン同士が結合力の弱いによって上下に結び付き、層状の構造を形成しているため、セロハンテープの粘着力で剥がすことでグラフェンを得る『スコッチテープ法』、 SiC をする手法や触媒金属層を形成した基板に炭素を含むガスを供給する『』 CVD がある。 特性 [ ] 導電性 [ ] 実験結果から、グラフェン中ののは、室温で15,000 cm 2V -1s -1と驚くほど高い。 加えて実験からが対称であることが分かっており、これは電子との移動度がほぼ同じであることを示唆している。 移動度が10 から100 Kの範囲でにほとんど依存しないことから、格子欠陥がの主な原因であると思われる。 この値は、室温での抵抗が最も小さい物質であるよりも小さい抵抗値である。 しかし基板上のグラフェンでは、室温でグラフェン自身の音響フォノンによる散乱よりも、基板のによる電子散乱の影響が大きく、移動度は40,000 cm 2V -1s -1まで制限される。 この最小電気伝導度の起源はいまだにはっきりしていない。 しかし、グラフェンシートを引きはがしたり、SiO 2基板にしたを混入したりすることで、キャリアの水溜りを局在させることができ伝導するようになる。 最近の実験により、化学的がグラフェン中のキャリアの移動度に影響を与えることが証明されてきている。 Schedinらは、さまざまな気体種(あるものはとなり、あるものはである)をグラフェンにドーピングし、真空中でグラフェンをゆっくりと加熱することにより、ドープ前のグラフェン構造が再現することを発見した。 Schedinらは、ドーパント濃度が10 12cm -2を超える場合でも、キャリアの移動度には目立った変化は無かったと報告している。 Chenらは、・低温でをグラフェンにドープし、予想通りカリウムイオンがグラフェン中で荷電不純物として振舞い、移動度を20-foldほど減少させることを発見している。 グラフェンを熱してカリウムを除去することにより、減少した移動度は元に戻すことが可能である。 光学特性 [ ] その独特な電気的特性により、グラフェンは炭素原子の1層構造でありながら予想以上に不透明度が高い。 これは実験的に確かめられている事実ではあるが、微細構造定数の値の改善に使えるほど正確な測定ではない。 スピン輸送 [ ] グラフェンは、が小さく、また炭素のが無視できることから、の理想的な材料と考えられている。 室温での電気的なの導入・検波が最近示された。 室温で1マイクロメートル以上のも観測されており、低温ではスピン流の向きを電気的なゲートで制御することもできている。 磁場効果 [ ] 高い移動度と最小電気伝導度に加えて、グラフェンは中で非常に興味深い振る舞いをする。 この特徴的な振る舞いは室温でも観測されうる。 ベリー位相はディラックポイント近傍でキャリアのがゼロになることから生ずる。 グラフェン中のShubnikov-de Haas振動の温度依存性の研究から、では有効質量ゼロとして振舞うキャリアが、有限のを持つことが分かった。 擬相対論 [ ] グラフェンの電気的特性は、伝統的なで説明される。 のプラスとマイナスの符号は、それぞれとに対応している。 伝導帯と価電子帯は、K-valuesと呼ばれる6点で接しているが、6点のうち独立なのは2点のみで、残りは対称性から等価である。 K点の近傍ではエネルギーは波数に線形となるが、これはの分散関係に類似している。 さらに、格子のが2原子からなるため、波動関数は実効的に2構造まで持つ。 結果として、低エネルギーで電子はと形式的に等価な方程式で書き表せる。 簡単に言うと、ディラックコーンの頂点における電子は、位置と運動量がある点に決定されるという、に相反してしまう状態になる。 しかしながら相対論効果で、位置幅と運動量幅を大きくすることで不確定性原理の相反を回避しようとし、そのため電子の速度が急激に大きくなると考えれば良い。 用途 [ ] のようなやなどの用途が考えられる。 のようにを照射することによって前進する宇宙船の開発が研究されている。 商業生産 [ ] 商業規模でのグラフェン生産を可能とする技術はにのヴウォジミェシュ・ストゥルピンスキ博士(Dr. Wlodzimierz Strupinski)のチームが開発に成功した。 現在はのナノ・カーボン社で本格生産に入っている。 ポストグラフェン物質 [ ] ポストグラフェン物質(post-graphene)とは、グラフェンの炭素原子を14族元素で置き換えたハチの巣格子状に結晶を組んだグラフェン状物質のことである。 2012年に入り、のである(silicene)が実験的に合成され、着目を浴びている。 シリコンは原子が炭素より大きいために、結晶構造がバックルしており、スピン軌道相互作用が比較的大きくなる。 このためシリセンにはグラフェンよりも豊かな物性が潜んでいる事が期待できる。 実際、シリセンは最近大きな関心を集めているを実現している物質の有力候補である。 またシリセンは従来のシリコンデバイスとの相性も良く、ありふれた物質であるシリコンでトポロジカル絶縁体が出来る事は興味深い。 また、のハニカム構造である(germanene)、のハニカム構造である(stanene)、のハニカム構造である(plumbene)についても注目されている。 これらの物質についても全く同様ので記述される。 スタネンとプランベンについては、スピン軌道相互作用が極めて大きくそれぞれ0. 1 eVと0. 4 eVと大きなエネルギーギャップを形成するとの理論的予測もあり、室温でトポロジカル絶縁体になる事が期待されている。 最近、ゲルマネン(2014年) 、スタネン(2015年) 、プランベン(2019年) についても、実験的に創製することに成功し注目されている。 脚注 [ ] []• Vogt, P. ; Le Lay, G. 2012. Physical Review Letters 108: 155501. Fleurence, A. ; Yamada-Takamura, Y. 2012. Physical Review Letters 108: 245501. ; Le Lay, G. 2014. New Journal of Physics 16: 095002. Yuhara, J. ; Shimazu, H. ; Le Lay, G. 2018. ACS Nano 12: 11632. Zhu, F. ; Jia, J. 2015. Nature Materials 14: 1020. Yuhara, J. ; Fujii, Y. ; Le Lay, G. 2018. 2D Materials 5: 025002. Yuhara, J. ; He, B. ; Le Lay, G. - ナノスケールサイズのサイズをもつグラフェンの総称。 外部リンク [ ]• この項目は、に関連した です。 などしてくださる(/)。

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エネマネことばの窓10~グラフェン電池。貼って剥がした新素材~

グラフェン 電池

NIMSは、酸化マンガンナノシートとグラフェンを分子レベルで交互に重ねた材料を合成し、リチウムおよびナトリウムイオン二次電池の負極材料として使うことで、従来の2倍以上高い充放電容量と、長いサイクル寿命を両立させることに成功しました。 高容量だが壊れやすい酸化マンガンをグラフェンで挟んだことで、酸化マンガンの形態が保持され、長寿命との両立が実現しました。 二次電池の高容量化と長寿命化を両立する負極材料として今後の応用が期待されます。 二次電池の高容量化が求められる中、現在負極に使われている炭素材料に代わる材料として、高い理論容量を持つ遷移金属酸化物に注目が集まっています。 特に、層状構造の酸化マンガンは、分子1層までバラバラに剥離したナノシートにして負極に使うことができれば、表面すべてが活性部位となるため、大幅に容量を向上できると考えられます。 しかし、酸化マンガンは充放電を繰り返すと構造が壊れやすく、しかもナノシートは団子状に凝集しやすいという課題を抱えていました。 本研究では、溶液中に分散させた酸化マンガンナノシートとグラフェンを混ぜ合わせ、1層ずつ交互に積層させたミルフィーユ構造の複合材料を合成しました 下図参照。 酸化マンガンとグラフェンは、ともに負に帯電しており、通常は反発しあいますが、研究グループが2015年に開発した技術を使い、グラフェンを化学的に修飾して正に帯電させることで、溶液を混ぜるだけで交互に積層させることに成功しました。 この材料をリチウムイオン二次電池の負極として用いたところ、負極容量が従来の2倍以上 0. これは、これまでに報告されている金属酸化物系負極材料の中で最も高い容量と長いサイクル寿命です。 グラフェンで挟むことで、充放電によって壊れやすい酸化マンガンの構造が保持されるとともに、電極材料全体の伝導性を改善した結果と考えられます。 今回、2種類の物質を分子レベルで複合化することで、単独の材料では実現が困難な高度な特性を導き出しました。 本材料は、二次電池以外にも、スーパーキャパシタや電極触媒など多くのエネルギー貯蔵および変換システムに大幅な性能向上をもたらすことが期待されます。 本研究は、国立研究開発法人物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の准主任研究者、拠点長らの研究グループによって行われました。 この研究の一部は、文部科学省科学研究費補助金基盤研究 A 「2次元無機ナノシートのヘテロ累積による新奇機能開拓」の支援を受けて得られたものです。 本研究成果は、米国化学会ACS Nano誌のオンライン版にて現地時間2018年1月22日に掲載されました。 DOI: 本件に関するお問い合わせ先 研究内容に関すること 国立研究開発法人 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 准主任研究者 マ ルンジ TEL : 029-860-4124 E-Mail: MA. nims.

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