2022-12-12 ローレンスリバモア国立研究所(LLNL)
垂直配向カーボンナノチューブ（VACNT）は、優れた機械的、電気的、輸送的特性に加えて、膜分離、熱管理、繊維紡糸、電子相互接続、エネルギー貯蔵などの用途で鍵となる配向構造を持っています。現在までのところ、VACNTを次世代技術に広く統合することは、互換性があり経済的な大量生産能力の欠如によって阻まれています。高品質の VACNT は、一般に、硬くて高価で電気絶縁性のあるシリコン (Si) や石英ウェーハなどの基板上で製造されています。
LLNL のチームは、科学文献で金属箔の選択肢を探した後、インコネル金属基板に注目しました。これにより、VACNT を柔軟なデバイスに統合し、Si から他の基板への移動ステップを排除し、電子機器やエネルギー貯蔵の用途に不可欠な CNT と基板の界面の電気または熱輸送抵抗を最小限に抑えることができます。インコネルは、ニッケル・クロム系超合金の一種で、圧力や熱にさらされる過酷な環境での使用に適した耐酸化・耐食材料である。
LLNLの科学者であり、Applied Materials & Interfaces誌に掲載された論文の共著者であるFrancesco Fornasiero氏は、「高品質のCNTの成長を従来のSi基板から金属フォイルに移行させることにより、多機能CNTコンポジット、ナノ多孔膜、電気化学デバイスをより経済的に、大規模かつ半連続的にロールツーロールで製造する道が開かれます」と述べています。
LLNLチームは、LIB負極として使用するために、インコネル金属上に垂直に整列したSWCNTの森林を成長させました。研究チームは、幅広い合成条件と複数の金属基板で、CNTの構造特性がほぼ一定であることを確認しました。作製したVA-SWCNT LIB負極は、数百サイクルの安定したサイクルと、高いサイクル速度でも大きな容量を示した。
＜関連情報＞
- https://www.llnl.gov/news/charging-carbon-nanotubes
- https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c18396
リチウムイオン電池負極としてのインコネル箔上における高品質SWCNTフォレストの成長と性能 Growth and Performance of High-Quality SWCNT Forests on Inconel Foils as Lithium-Ion Battery Anodes
Kathleen Moyer-Vanderburgh, Meghann C. Ma, Sei Jin Park, Melinda L. Jue, Steven F. Buchsbaum, Kuang Jen Wu, Marissa Wood, Jianchao Ye, and Francesco Fornasiero
Applied Materials & Interfaces November 30, 2022
DOI:https://doi.org/10.1021/acsami.2c18396
Abstract
Large-scale production of vertically aligned single-walled carbon nanotubes (VA-SWCNTs) on metal foils promises to enable technological advancements in many fields, from functional composites to energy storage to thermal interfaces. In this work, we demonstrate growth of high-quality (G/D > 6, average diameters ∼ 2–3 nm, densities > 1012 cm–2) VA-SWCNTs on Inconel metal for use as a lithium-ion battery (LIB) anode. Scale-up of SWCNT growth on Inconel 625 to 100 cm2 exhibits nearly invariant CNT structural properties, even when synthesis is performed near atmospheric pressure, and this robustness is attributed to a growth kinetic regime dominated by the carbon precursor diffusion in the bulk gas mixture. SWCNT forests produced on large-area metal substrates at close to atmospheric pressure possess a combination of structural features that are among the best demonstrated so far in the literature for growth on metal foils. Leveraging these achievements for energy applications, we demonstrate a VA-SWCNT LIB anode with capacity >1200 mAh/g at 1.0C and stable cycling beyond 300 cycles. This robust synthesis of high-quality VA-SWCNTs on metal foils presents a promising route toward mass production of high-performance CNT devices for a broad range of applications.
