グラフェン層間に２層アルカリ金属の最密配列を発見

• グラフェン層間におけるアルカリ金属の２層構造を発見
• グラフェン層間のアルカリ金属は、グラファイト表面の層間に特有の拡張性により最密充填される
• 電気自動車や通信機器に向けた２層〜少数層グラフェン電極による大容量二次電池の開発に期待

　国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）ナノ材料研究部門 電子顕微鏡グループ 林 永昌 主任研究員、大阪大学 末永 和知 教授、東京工芸大学 松本 里香 教授、九州大学 吾郷 浩樹 教授、台湾国立清華大学 Chiu Po-Wen（邱博文）特別教授らは、炭素原子が1個の厚さで六角形の格子状に並んだグラフェンの層間に高密度でアルカリ金属を挿入する技術を開発し、原子の配置構造を直接観察することに成功しました。
　二次電池の性能は、電気自動車の走行距離やスマートフォンの使用時間などに影響を与える主要な指標の一つです。二次電池が、より大きな電気容量を蓄積できるようになれば、これらの電子デバイスの性能を向上させることができます。電池の電極材料である黒鉛（グラファイト）は、グラフェンが層状に重なり、層間に配置されたアルカリ金属が電子を受け渡すことで、充電・放電を行います。もし、グラフェン層間に高密度でアルカリ金属を充填（じゅうてん）できれば、電気容量が向上するでしょう。
　過去百年にわたり、X線や電子回折の測定を通じて、グラフェン層間には単層のアルカリ金属しか充填できないと広く認識されており、各層が完全に充填された状態が理論的な充電極限と考えられてきました。しかし、層間アルカリ金属の原子配置を直接観察し、グラフェン層がアルカリ金属原子を単層でしか収容できないのか、それとも他の技術によって、より高密度または複数層のアルカリ金属を収容できるのかを検証する研究報告はありませんでした。
　私たちは、グラフェンの間にアルカリ金属を高密度に挿入する技術を開発しました。高性能電子顕微鏡により、層間のアルカリ金属原子の配置構造を直接観察することにも成功しました。電極として広く用いられてきたグラファイトには、１層構造のみが形成されますが、グラフェン層間のアルカリ金属は、グラファイト表面のグラフェン層間に特有な層間隔の柔軟な拡張性により、およそ２倍のアルカリ金属を挿入できる２層構造で最密充填されることを発見しました。アルカリ金属を２層に挿入したグラフェンを積層できれば、それを電極材料にしてアルカリイオン二次電池の大容量化が期待されます。
　なお、この技術の詳細は、2024年1月24日（イギリス時間）に「Nature Communications」に掲載されました。

グラフェン
炭素原子が六角形の格子で配置された平板状の物質で、優れた電気伝導性を示します。この発見により2010年ノーベル物理学賞をアンドレ・ガイム博士とコンスタンチン・ノボセロフ博士が受賞しました。
黒鉛（グラファイト）
グラフェンシートが層状に重なってできた多層の炭素化合物。二次電池の負極材料として使われます。

• 本研究の詳細についてはこちら

掲載誌：Nature Communications
論文タイトル：Alkali Metal Bilayer Intercalation in Graphene
著者：Yung-Chang Lin, Rika Matsumoto, Qiunan Liu, Pablo Solís-Fernández, Ming-Deng Siao, Po-Wen Chiu, Hiroki Ago, Kazu Suenaga
DOI：10.1038/s41467-023-44602-3

グローバルイノベーションセンター　吾郷 浩樹　主幹教授