二次電池用グラフェン

Francesco Bonaccorso, Vittorio Pellegrini

Istituto Italiano di Tecnologia, Graphene Labs

Material Matters, 2016, 11.1, 15

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はじめに

グラフェンおよび無機2次元材料のエネルギー貯蔵システムへの応用について解説しています。リチウムイオン電池の性能向上、およびリチウム空気電池やフレキシブル電池などの次世代電池開発における可能性を論じています。二次電池は、携帯用電子機器から自動車用システムの電源として、既に広く利用されています¹。しかし、依然として電池性能の限界（出力やエネルギー密度の不足、限られた寿命、充電速度の遅さ、高コスト、電池形状や物理的柔軟性における制限など）がこれら応用技術の発展を妨げています。こうした課題に取り組むためには、正極および負極材料の革新が必要です。現在、リチウムイオン電池（LIB：lithium ion battery）が二次電池市場で主流を占めており²、その市販LIBの多くはアルミニウム基板上のLiCoO₂正極と銅箔上のグラファイト負極で構成されています。この構成では、理論的な重量エネルギー密度：387Wh kg^–1に対して実測値：120～150 Wh kg-1が得られており³、鉛蓄電池（約30 Wh kg^–1）⁴やニッケル水素電池（45～68 Wh kg^-1）¹などの他の異なる種類の電池よりも遥かに大きな値が達成されています。この他にも、層状Li_1–xMO₂（M ＝ Ni、Mn、Co）⁵、スピネルLiMn₂O4 ⁶、および秩序化（ordered）オリビンLi_1-xMPO₄（M ＝ Fe、Mn、Ni）⁷などの有望な酸化物ホスト構造が確認されていますが、市販電池ではまだ利用されていません。

グラフェンおよび関連する2次元（2D）結晶には、単独の材料として^8,9、または他の材料と組み合わせた機能性複合材料として^10,11、LIB性能の向上およびサイクル特性の改善を可能とします。グラフェン以外にも、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD：transition metal dichalcogenide）¹²、遷移金属酸化物（TMO：transition metal oxide）¹³、層状複水酸化物（LDH：layered double hydroxide）^14,15、およびMXene¹⁶などの複数の2D結晶の研究が最近行われています。これら新材料の中でも、グラフェン－シリコンナノ粒子（NP：nanoparticle）複合材料に大きな期待と関心が集まっています¹⁷。シリコンの理論的な可逆比容量は、4,000 mAh g^–1に迫る値を示しますが¹⁸、この値は負極材料として期待されている材料の中では最も大きな値の1つです。しかし、シリコンおよびナノ構造シリコン系負極材料には、充放電サイクル中の体積の縮小および膨張に伴う材料の劣化や容量の著しい減少が見られることが知られています¹⁹。この問題は、十分に分散した粒子をグラフェンで固定し、グラフェンを粒子間の導電性マトリックスとした、ハイブリッド型負極の作製により抑制することが可能です。

グラフェンおよびその他2D結晶のもつ可能性は²⁰、従来型リチウムイオン電池に限定されません。硫黄、スズ、ナトリウム、亜鉛ベースの電池もまた、2D結晶を用いることでコスト面の恩恵を受け、リチウムイオン技術とも競い合うことができる可能性があります²¹。さらに、グラフェンおよびその他2D結晶は、リチウム－空気電池の電気化学的性能の向上にも使用することができます^22,23。例えば、多孔性還元型酸化グラフェン（RGO：reduced graphene oxide）を組み込むことで電極の高い安定化が実現しており、非常に有望なRGO技術の利用例の一つといえます¹⁹。ただし、再現性および拡張性評価のためにはさらなる研究が必要です^19,21。

グラフェンおよびその他2D結晶の役割は、電池の可逆的比容量または重量エネルギー密度の向上だけではありません¹⁰。実際に、正極および負極の金属支持体と置き替えるためにグラフェン導電膜が用いられ、電池全体の軽量化が可能となっています。そのため、グラフェンおよびその他2D結晶を活用することで、ウェアラブル電子機器²⁴、スマート組織²⁵、および長期間埋め込み可能な人工装具のような生物医学用途¹¹などの多種多様な用途に適用可能な、透明性を備えた電池の開発が可能になります。

現在の研究の大半が、グラフェン、その他の2D結晶、およびこれら複合材料の電荷貯蔵機構の理解を深め、不可逆過程を抑制することに重点が置かれています^16,21。その後、これら2D材料の商業利用への可能性が、その安定した形態、電気的性質、純度、およびコストと関連付けられて検討されると予想されます²⁶。今後数年間は、実際の製品開発に向けた、効果的にスケールアップ可能な実験室規模の製法を確立することが極めて重要になるものとみられます。

本稿では、新世代電池の開発で使用されているグラフェンおよびその他2D結晶の最先端技術の現状を包括的にレビューし、将来の方向性を特定するために探究すべき重要な課題の概要を述べます。また、携帯用およびフレキシブルデバイスの電力管理に関する新たな解決法の開発に、2D結晶を用いた技術の多用途性がいかに貢献するかについても議論します。

機能性電極作製用2D結晶の合成

エネルギー貯蔵デバイス、特に電池の開発において材料に求められる最も重要な条件の1つが、大規模生産の実現への見通しとも関連する、高い比表面積（SSA：specific surface area）²⁷と高い電気伝導率（σ）²⁸との組み合わせです²⁶。この条件を満たす2次元結晶は、ボトムアップ型^29,30およびトップダウン型^11,13,26の方法で作製可能であり、再生可能エネルギー技術への貢献が期待される材料です。ここでは、低コストかつ拡張性に優れ、電池およびその他エネルギーデバイスに適した作製方法である液相剥離法（LPE：liquid phase exfoliation）を中心にご紹介します。

液相剥離法

溶液中の層状結晶の直接剥離（図1A）²⁰は、低コストで拡張性が高く、機能性の付与も可能であるため、エネルギー用途における合成法として適していると考えられています。層状結晶の剥離は、通常、水中での超音波処理によって行われ（図1B）^{8,13,20,26,31–33}、界面活性剤／ポリマーの添加や^31,32、有機溶媒中で行われる場合もあります^8,9,34,35。スケールアップに向けた代替手段として、せん断混合³⁷、ボールミリング³⁸、電気化学的処理39,40などの他の剥離法が提案されています。

図1 バルク層状結晶の剥離から機能性インクに至るまでのプロセス。（A）層状バルク結晶、（B）超音波処理による層状結晶の剥離、（C）様々な2D結晶インクの写真。

剥離処理後、剥離した薄片と剥離していない薄片を分離するため、得られた分散液を超遠心法で「精製」します⁴¹。この超遠心法は、大型で厚い³⁴薄片を小型で薄い^8,31,32,35薄片から分離する際にも強力な手法となります。

電池用機能性電極の製造に使用される複合材料⁴²およびインク³¹を大規模生産するためには、溶液中の2D結晶は高濃度であることが望まれます（図1C）。超遠心後、グラファイト状シートの場合は約15 mg/mL³²、MoS₂薄片の場合は約40 mg/mL⁴³の濃度になります。単層グラフェン（SLG：single-layer graphene）を非常に多く含む分散液が、均一溶媒（SLG 約60%）³¹および密度勾配液（SLG 約80%）³²を用いた水－界面活性剤分散液の超音波処理および超遠心によって得られます。界面活性剤³⁹およびポリマー^44,45を用いることで、分散している薄片の形態特性（横方向のサイズ³¹および厚さ³²）に対する制御が向上し、調製後の材料の比表面積を制限する主な要因である凝集を避けるのにも役立ちます。ただし、高表面積である点は電池作製には不利な面もあります。例として、比表面積が高いことで固体電解質界面（SEI：solid electrolyte interphase）が形成される傾向があり、初期不可逆容量が非常に大きくなります^14,46。さらに、LIB電極のように薄片単体の電子的性質の維持が重要となる場合、界面活性剤／ポリマーの存在はデバイスへの組み込みには最適とは言えません。界面活性剤やポリマーによって、薄片間の相互作用が弱まり、電極のσ値に強い影響を与えます²³。2D結晶LPEの非常に大きな欠点は、高沸点で強い毒性を示す、銅やアルミニウムなどの集電体への堆積に適していない溶媒の使用にあります。最近、これら制限を克服するため、水／エタノール^45,47,48または水／イソプロピルアルコール⁴⁷などの低沸点溶媒の混合溶液中⁴⁷で2D結晶のLPEが実行されています。これら共溶媒の相対濃度を調節することで、2D結晶の分散液／インクの密度、粘度、表面張力などのレオロジー特性を調節することができます。また、LPEは、グラファイト層間に原子種または分子種（インターカラント、intercalant）が周期的に挿入された、グラファイト層間化合物50の分散液の調製⁴⁹にも利用され、LIBに広く用いられています⁴⁶。グラファイト層間化合物をドナー型またはアクセプター型のインターカラントで処理すると、導電性の高い材料が得られます（σ ＝ 6.3 × 105 S cm^–1）⁵¹。さらに、層間隔を調節できるため（例：カリウム、ルビジウム、セシウムで0.53～0.59 nm、ジメチルスルホキシドで最大約0.9 nm）⁵²、大量のリチウムイオンが収容可能になります。

LPEは、酸化グラフェン（GO：grapheneoxide）の作製にも利用できます⁵³。酸化グラフェンは、拡張芳香族構造と、ヒドロキシル基やエポキシ基、エッジに結合したカルボキシ基やカルボニル基などの複数の官能基を含んでいます⁵⁴。これら官能基によって、GOは水やその他一般的な溶媒中で容易に分散し、化学修飾（つまり有機および無機ナノ粒子の共有結合）用サイト⁵³を提供します。RGOの作製に、GO薄片の酸素含有基を化学的もしくはその他の処理法にて還元する複数の方法が開発されています⁵⁵。RGOではグラフェンと同程度のσは得られませんが⁵⁵、すでにリチウムイオンや他の種類の電池用電極の作製に広く利用されています¹⁰。しかしながら、負極材料としてのRGOの最終的な電気化学的性能は、還元状態の強い影響を受けます。実際に、電池動作中に官能基がさらに離脱すると、グラフェン層の再スタッキングが生じて貯蔵容量が減少し、サイクル中の可逆容量の減少を招きます⁵⁶。

貯蔵機構および最新の電気化学特性

LIBは、リチウムイオンの挿入と脱離に基づいた電池です^1–3。現在使用されているLIBは、通常、リチウム挿入化合物正極（例：LiCoO₂またはLiFePO₄）、グラファイト負極、および電解質で構成されます^1-3。充電モード中、外部電圧をかけるとリチウムイオンが電解質を通って正極から負極へ移動します^1–3。この逆の過程では、リチウムイオンがグラファイト電極から脱離し、正極へ移動します^1-3。外部回路を移動する電子は、デバイスに電力を供給し、外部で仕事を行うために使用されます^1-3。貯蔵されるリチウムイオンの重量容量（電池1グラムあたりの貯蔵可能なリチウムの重量パーセント）は、これら二次電池の性能を決定する重要な値です。グラファイトと比較して、グラフェンおよびその他2D結晶は理論的な重量容量が大きくなります¹⁸。さらに、グラフェンを使用すると柔軟性がさらに増加するため、曲げたり伸縮したりすることができる電池デバイスの開発をさらに進めることが可能になります⁵⁷。2D結晶の他の重要な性質としては、高い電気伝導率および動作温度内（–50～100℃）での電気化学的および熱的安定性です。LIBは、高エネルギー密度（約200 Wh kg^-1、スーパーキャパシタの密度よりも通常は1桁以上大きい）が必要な用途に最適です（図2を参照）。

図2 電池およびスーパーキャパシタのエネルギー密度（Wh/kg）対出力密度（W/kg）を示したRagone-likeプロット⁵⁸。青の楕円は、利用可能な2D結晶系貯蔵デバイスのエネルギー密度および出力密度の領域を囲んでいます。この楕円の内側で、丸い点はリチウムイオン電池59、オレンジ色の三角形はハイブリッド型スーパーキャパシタ-電池⁶⁰、青の正方形はスーパーキャパシタ⁶¹の値を示します。暗赤色および青緑色の小さな楕円領域は、それぞれ市販のLIB⁶²およびスーパーキャパシタ⁶¹の値を示します。ここで重要なのは、パッケージ化された市販電池では質量に電極／パッケージ／電解質が含まれ、業界規格の試験方法で性能が測定されているのに対して、このプロットに示されている2D結晶系デバイスでは電極材料のみを含んでいるため、両者の比較には注意が必要です。パッケージ化および測定方法を考慮に入れた場合、2D結晶系デバイスのエネルギー密度および出力密度は、図に示されている値よりも下がる可能性があります。

リチウムイオン電池向け正極および負極材料としての2D結晶

グラフェンおよびその他2D結晶については、LIB負極^8–10,63および正極64の双方に使用できる材料として期待が高まっています（図3A）。例えば、電気伝導率の低い（約10^-8 S cm^-1）⁶⁷オリビン型リン酸塩などの正極ナノ材料用導電性支持体として、グラフェンおよびその他2D結晶を使用することができます（オリビン型リン酸塩：酸素原子が六方最密充填構造をとり、Li⁺カチオンおよびM²⁺カチオンが八面体サイトの1/2を占め、P⁵⁺カチオンが四面体サイトの1/8を占めるリン酸塩^65,66）。これは、グラフェンおよびRGOなどの導電性2D結晶（図3B）が、正極ナノ材料との間の電子輸送を促進するためで、電気化学的性能の向上した電極作製が可能となります⁶³。

導電性2D結晶マトリックスは、被覆されていない正極材料と比較して複合材料のσを増加させてレート特性を改善することができます⁶⁵。ただし、得られる正極の最終的な電気化学的性能を決めるのは、基本的には複合材料の作製方法です。実際に、カーボンブラックに用いられる標準的な手順に従ってRGOを混合すると、Li⁺の移動度が実際には減少する場合もあり、ハイブリッド型正極の電気化学的性能にも影響が出ることが示されています⁶⁸。RGOを導電性支持体として使用するハイブリッド型正極材料の作製に向けて、複数の方法が試されています⁶⁹。LiMn_1-xFe_xPO₄ナノロッドをRGO薄片上に成長させると、50Cレートで約100 mAh g^-1の可逆的比容量を示します。動作は安定しており、100サイクルで劣化は1.9%に留まります⁶⁵。ハイブリッド型電極を作製する場合と同様の方法が、LiMn₂O₄のようなスピネルなどの異なる材料にも適用されています⁶⁹。ハイブリッド型RGO/LiMn₂O₄正極は、1Cレートで137 mAh g^–1という大きな比容量を示します（最大容量を1時間で放電する電流値を1Cレートとしたもので、電池が放電する速度の目安です）。充放電レートが50Cおよび100Cに上がった場合でも、放電容量はそれぞれ117 mAh g^-1および101 mAh g^-1となり、優れた性能を示します⁶⁹。

RGOは、現時点でLIB負極に最も多く利用されている2D結晶材料です（図3C）⁷⁰。最初のサイクルの間に、RGO負極はSLGの理論限界値を大きく上回る容量を示すことがあります。ただし、この大きな初期容量は、電解質の不可逆的還元および表面不動態層の形成と関連付けられており、存在する構造欠陥および官能基の量が多い場合によく見られる傾向があります^26,53–55。RGO系電極の可逆的比容量は540 mAh g^–1であり⁷⁰、グラフェンの理論値¹⁰を遥かに下回ることが示されています。

さらに最近では、グラファイトからLPEによって作製されたグラフェン薄片が負極の調製に使用されています^9,10。エッジおよび欠陥は、Liの可逆的な貯蔵サイトとなり、グラフェン系電極の可逆的比容量に寄与する可能性があります。グラフェン電極のCレートはグラファイトよりも速く⁶¹、その主な理由として、グラフェン薄片のエッジにおけるリチウムの拡散エネルギー障壁が下がることが挙げられています^8,71。Hassounらは、横方向のサイズを100 nm未満に微調整した剥離グラフェン薄片で作製した負極を使用して、電流密度700 mA g^-1で約750 mAh g^-1の可逆的比容量が得られることを示しました⁸。この構成では、薄片のbasal面とエッジの両方でリチウムイオンの取り込みが増加しました⁸。このグラフェン薄片を使用した負極はフルセル構成で最高の性能を示し、165 mAh g^-1の可逆的比容量および約190 Wh kg^-1の推定エネルギー密度が達成され、80サイクル充放電にわたって動作は安定していました⁸。さらに、LPEで作製したグラフェン薄片は、バインダーを用いない構成で有効な負極材料となることが明らかになっており、電流密度100 mA g^-1で100サイクル後の可逆的比容量は約500 mAh g^-1が得られ、クーロン効率は99.5%を超えます⁹。

グラフェンおよびその他2D結晶は、電気化学的活性を持つ粒子（合金型負極⁷²、シリコン^73,74、硫黄⁷⁵、Co₃O₄ ⁷⁶、Li₃VO₄ ⁷⁷、Fe₃O₄ ⁷⁸など）と混合することによりLIBの充放電容量の増加を目的とするハイブリッド型負極の作製にも使用されています。

図3 グラフェンおよび2D結晶を使用した電池電極の代表的例。（A）グラフェンおよび2D結晶の電極（負極および正極）からなる電池の充電状態を表す概略図。（B）リチウムイオン電池用電気活性物質を成長させる支持体として使用されるグラフェン⁶⁵。（C）ハイブリッド型GO／シリコン複合材料電極⁷⁹。

グラフェン薄片とRGOの両者は、リチウム化／脱リチウム化における体積の膨張／収縮に適応することでナノ粒子の凝集を抑制すると同時に、ハイブリッド型負極の導電性を向上します。その結果として、グラフェン/Co₃O₄ ⁷³、RGO/硫黄⁸⁰、RGO/Li₃VO₄ ⁷⁴、およびRGO/Fe₃O₄ ⁷⁵などのハイブリッド型負極の可逆的比容量およびサイクル特性について、これらナノ粒子単独で作製された電極と比較して大幅な向上を達成することも可能です。

TMD⁸¹、TMO⁸²、および遷移金属水酸化物（TMH：transition metal hydroxide）⁸³などのその他2D結晶も、イオン伝導が速くリチウムイオンの挿入も可能であるため、リチウムイオン電池材料として期待されています¹⁶。例として、MoS₂ ⁷⁸およびWS₂ ⁸⁴負極について、それぞれ約800 mAh g^–1および約470 mAh g^–1の可逆的比容量が得られています。また、直径約20 nmのZrS₂コロイド状ナノディスクでは、約600mAh g^–1の可逆的比容量が得られています⁸⁵。ハイブリッド型WS₂/RGO複合材料が電極として使用され、最大4 A g^–1という高い電流密度で約240 mAh g^–1の可逆的比容量が達成されました⁸⁶。TMOの例では、リチウム化したMoO₃ナノベルトで15サイクル後に電流密度30mA g^–1で約220 mAh g^–1の比容量が得られ、容量維持率は92%でした⁸⁷。しかし、リチウムイオンと酸素原子の相互作用が可逆的／不可逆的な挿入／脱離の過程を制御しており、リチウム化プロセスの完全な理解は依然として得られていません。

次世代電池（空気、ナトリウム、フレキシブル電池）への応用

リチウム－空気電池

通常、リチウム－空気電池は金属リチウムを負極、酸素（または空気）を正極とした構成をとり、理論的なエネルギー密度は5,200 Wh kg^-1に達するため⁸⁸、金属イオン電池よりも遥かに高いエネルギー密度が実現可能になります²。この高い理論的エネルギー密度は、リチウムと空気中の酸素との組み合わせによるものであり⁸⁹、リチウム－空気電池は次世代電池開発に向けて最も期待される技術の1つです。

しかし、理論的エネルギー密度には期待できるものの、リチウム－空気電池には短寿命、サイクル特性の低下（100サイクル程度）、および低エネルギー効率など、実用化のために取り組まなければならない性能上の問題が多数存在します。現在、リチウム－空気電池の性能向上には、正極（空気電極）の形態が極めて重要な要素であると考えられています。実際に、正極の多孔性と比表面積によって、放電過程における還元生成物の形態および量が左右されます。

グラフェンやその他2D結晶を用いることで、リチウム－空気電池の限界を克服し、電池性能を向上できる可能性があることが示されています。例として、RGOを正極材料に使用すると、他の炭素材料よりも大容量を得ることができます⁹⁰。特に、RuO₂・0.64H₂O-RGOハイブリッド材料⁹¹のようにRGOと他の触媒の組み合わせをリチウム－空気電池の正極材料に使用した場合、非常に有望な結果が得られています。興味深いことに、この組み合わせでは、約3.7 Vの充電電圧および500 mA g^–1という高い電流密度で、5,000 mAh g-1の可逆的比容量が達成されています⁸⁹。ごく最近の研究では、RGO電極が充放電中の結晶性LiOHの可逆的な生成および分解を促進し、大きな比容量および充電効率の向上に繋がっていることが示されています⁹³。

ナトリウムイオン電池

ナトリウムはリチウムよりも豊富に存在する元素であるため、ナトリウムイオン電池がLIBのより低価格な代替技術になる可能性があります。グラファイトはリチウムイオン技術で最も多く使用されている負極材料ですが、ナトリウムイオン電池の負極活物質には適していません。Na⁺イオンはイオン半径が大きく、グラファイト内にインターカレートしないため、層間隔の調節可能なグラフェン系材料を利用したNa+の挿入および脱離を最適化する研究が行われています。RGOを使用した場合に有望な結果が得られており、250サイクル後に電流密度200 mA g^–1で約100 mAh g^–1の比容量が得られています⁹⁴。さらに、グラフェン層間隔が大きな、配向性の高い黒鉛状構造を有する負極では、10サイクル後に電流密度50 mA g^–1で約300 mAh g^–1の比容量が達成され、ナトリウムイオン電池においてグラファイト系負極の層間隔が非常に重要な役割を果たしていることが改めて示されています⁹⁵。ただし、負極活物質および正極の導電性支持体としてのグラフェンおよび2D結晶のナトリウムイオン電池における使用は、まだ初期段階にあります。この手法の有効性を検証するためには、より広範囲にわたる研究が必要です。

フレキシブル電池

柔軟性や伸縮性を備えた電池デバイスの開発96は、堅牢な機械的性質を有するフレキシブル電極の開発に強く依存しています。このようなデバイスでは、その機能を保持したまま、大きな歪みにも対応できなければなりません²²。また、これら次世代電池は、大きな可逆的比容量および高いエネルギー効率を持つと同時に、サイクル寿命が長く低コストである必要もあります。これら要件のため、現在の技術を使用したフレキシブル電池の開発は特に困難なものになっています。実際に、従来の電極調製方法には、構成材料（活物質、カーボンブラック、バインダー）の混合とその集電体への被覆、後乾燥処理、加圧成型などの手順が含まれており、長い時間を要するうえにコストもかかります。それに加えて、後乾燥（アニール処理）工程がある場合、基板自体が耐えられる温度範囲が狭いため、フレキシブル電極や支持体の作製が大きく制限されます。さらに、高い柔軟性とσ値を得るのと同時に、電極と集電体を十分に接着させるためには、電極には適切な量のバインダーおよびカーボンブラックを使用しなければなりません⁹⁰。そのため、電気化学的により高性能なフレキシブル電極の作製には、新規材料および作製方法の検討が必要です。

グラフェンおよびその他2D結晶を使用することで、柔軟で伸縮可能な電池を実現できる可能性があります。例えば、シリコンナノ粒子とフレキシブル3D導電性足場との交互積層膜を作製し、放電電流8 A g^–1で1,100 mAh g^–1の可逆的比容量が得られることが示されています。このデバイスでは、構造変化に対する耐性も得られています⁹⁷。

Chengら⁵⁷は、化学気相成長法によって調製した、柔軟性と導電性を持ち、相互連結した3Dグラフェン発泡体ネットワークを使用して、薄型、軽量かつフレキシブルなリチウムイオン電池の作製を行いました。この発泡構造を有するネットワークは、電子およびリチウムイオンの高伝導性経路として、また軽量集電体としての役割を果たします。3Dグラフェン発泡体に活物質を充填し、LiFePO₄/グラフェン正極とLi₄Ti₅O₁₂/グラフェン負極を作製することで、フレキシブル電池が得られています。この電池は1.9 Vで動作し、放電レートが0.2Cの場合、初期放電容量約143 mAh g^-1およびクーロン効率98%を示しました。活物質以外の電池の様々な要素（金属集電体、導電性添加剤、バインダー）を、この3Dグラフェン発泡体で置き換えることができます。

この種のフレキシブル電池の開発はまだ初期段階にあり、グラフェンおよびその他2D結晶を電池の様々な要素に組み込む試み⁵⁷が行われたのはごく最近のことです。グラフェンおよびその他2D結晶を使用した透明かつ柔軟な電池を作製するための信頼性の高い方法の開発には、まだ長い時間が必要です。この透明フレキシブル電池が、多くの技術分野および民生機器に大きな影響を与える可能性があることには、疑いの余地はありません。たとえば、透明フレキシブル電池とコンピューター／スマートフォン／PDA（携帯情報端末）のディスプレイを組み合わせることで、より小型で操作しやすい電子機器を実現し、これまで利用されていなかったエネルギーの回収と貯蔵を統合することが可能です。また別の例として、電池は柔軟性と透明性を同時に実現するのが最も困難な部品であるため、柔軟で透明な通信デバイスや生体センサーなどの試作品やその他コンセプトの実現は、リジッドで不透明な電池の使用によってかなり制限されています。順応性に富んだ形状の電池は、多様な物理的形状・大きさの次世代電子機器に組み込む際に非常に重要になり、グラフェンおよびその他2D結晶が重要な役割を担うと考えられます。

展望

グラフェンおよびその他2次元結晶は、電池のエネルギー密度、出力密度、サイクル特性、コストの改善や、リチウム－空気電池やフレキシブル電池のような次世代電池の開発を可能にし、リチウムイオン電池のような現行のエネルギー貯蔵システムに影響を与える可能性を持っています。しかし、この分野には取り組むべき課題がまだ多数存在し、飛躍的な進歩の余地が多く残されています。実験室レベルでは有望な結果が得られて期待が高まっていますが、2D結晶を使用した実験室規模の研究と商業利用の間には、まだ大きな隔たりがあります。貯蔵密度およびサイクル特性を限界まで高めるためは、リチウムの吸蔵や固体電解質界面の生成、薄片の横方向のサイズおよび層数の役割、グラフェン系複合材料の最適化、薄片自体の適切な機能化による2D結晶薄片の層間隔の微調整など、基本的問題の理解を深め、より精密に制御することが重要であり、作製方法の改良が今後の課題になります。もう一つの課題は、これら新技術のスケールアップと大規模製造です。なお、ここに記載されているのは、EUグラフェンフラッグシップで設定された2023年までの達成目標の一部です¹¹。

Acknowledgments

The authors acknowledge Bruno Scrosati, Reza Fathi, Simone Monaco and Haiyan Sun for discussions and funding from the European Union Seventh Framework Programme under grant agreement no.604391 Graphene Flagship.

関連製品

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