“GREEN GOALS LETTER”とは？
東北大学グリーンゴールズパートナーの活動内容や、グリーン未来社会の実現に向けて行われている東北大学の研究やさまざまな取り組みについて、最新情報をお届けします。
東北大学 GREEN TOPICS
１．車体や建物を充電に使う3Ｄカーボン材料を開発 3Ｄプリンタで強度と機能性を融合し、全く新しいエネルギー貯蔵へ貢献
持続可能な社会基盤を築くため、各種再生エネルギーやその貯蔵技術の需要が高まっています。近年、よりイノベーティブな、車体や壁・柱など荷重を支える構造体そのものを蓄電材料としても扱う「構造的エネルギー貯蔵」という発想が注目されています。構造と機能を融合させる未来技術の実現が期待されています。
東北大学材料科学高等研究所の工藤朗助教、唐睿特任助教（研究当時）、折茂慎一教授、西原洋知教授、同大学多元物質科学研究所の金丸和也大学院生、吉井丈晴助教、同大学学際科学フロンティア研究所の韓久慧助教（研究当時）、同大学金属材料研究所の木須一彰助教、米国ジョンズ・ホプキンス大学の陳明偉教授らの国際共同研究チームは、機械的強度に優れる格子構造とキャパシタ性能を付与する比表面積を併せ持つ炭素マイクロ構造「階層的多孔質カーボンマイクロラティス」を作製しました。
光造形3Dプリンタ用に調整した複合材料樹脂を用いて、炭素化後に塩酸処理を施す事で梁の内部にマクロ・メソ・ナノの3段階サイズの孔の導入に成功しました。キャパシタとして機能する比表面積を有しながら圧縮強度7.45-10.45MPa・ヤング率375-736MPaを実現し、水系・有機系電解質で電極面積あたり最大容量11.5 F･cm-2および1.5 F･cm-2を達成しました。実用水準の機械的性能を持つミリメートル厚の構造全体を、電気化学キャパシタとして初めて実証しました。
本研究成果は、2023年8月2日にナノテクノロジー・科学の専門誌Smallにオンライン掲載されました。（2023年8月23日：材料科学高等研究所 助教 工藤 朗）※工藤先生は第2回GS研究会に登壇されました。
詳細はこちらから（東北大学WEBサイト該当記事へ）
２．3次元グラフェン造形のキープロセスを解明 6員環のエッジに5員環や7員環が組み込まれてジッピング
グラフェン（注1）は軽くて強い上に、熱・電気伝導性が高いといったユニークな特徴を併せ持っていますが、原子の厚みしかもたない2次元構造であり、電子デバイスなどの2次元的な用途に限定されてきました。蓄電デバイスなどへの応用には、グラフェンを積層させることなく3次元の立体的構造にすることが必須です。しかしながら、グラフェンを自在に3次元造形することは困難でした。
東北大学、群馬大学、信州大学、九州大学、高エネルギー加速器研究機構の研究チームは、実験と理論の両輪により、3次元グラフェン造形のためのキープロセスである「ジッピング反応」によるグラフェン修復の機構を解明しました。グラフェンの3次元化に必須である炭素5員環や7員環がジッピング反応と同時に導入されることを見出し、3次元グラフェン造形のための新たな合成ルートが確立されました。
本研究成果は2023年8月1日付けで、科学誌Chemical Scienceに掲載されました。
（2023年8月21日：多元物質科学研究所 助教 吉井丈晴、材料科学高等研究所 教授 西原洋知）
【用語解説】
注1. グラフェン：黒鉛を構成する、炭素原子から成るシート状の物質。炭素原子同士が化学結合して六角形が連なった平面（六角網面）を形成している。炭素原子が形成する六角形は6員環とも呼ばれる。強度が強い、電気伝導性・熱伝導性が非常に高いといったユニークな特徴を有する。
詳細はこちらから（東北大学WEBサイト該当記事へ）
３．Ｘ線顕微鏡で薄膜型全固体電池を「丸ごと」可視化 －電池反応・劣化挙動を総合的に理解し性能向上に貢献－
電解質を液体から固体に変えた全固体電池は、液漏れによる発火の心配がなく、高温・高圧下などの極限環境でも安全に使用できることから、次世代の二次電池として注目されています。しかし電極/固体電解質界面における大きな界面抵抗や繰り返し使うことで生じる亀裂の発生など、実用化に向けた課題が残っており、課題解決に向けて、電池内の反応・劣化挙動の解明が必須となります。これまで、電子顕微鏡を用いた局所的な高空間分解能観察が多数報告されていますが、空間分解能を維持しつつも電池全体を一度に観察し、各要素の反応・劣化挙動を詳細かつ総合的に解析することは一度の計測実験では困難でした。
東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの石黒志助教と高橋幸生教授、東北大学大学院工学研究科の戸塚務大学院生(当時)と上松英司大学院生、名古屋大学の入山恭寿教授、ファインセラミックスセンターの山本和生主席研究員、高輝度光科学研究センターの関澤央輝主幹研究員らの研究グループは、大型放射光施設「SPring-8」で全視野結像型透過X線顕微鏡−X線吸収微細構造(TXM−XAFS)測定のもつ空間分解能及び視野サイズと、薄膜型全固体電池の断面スケールが適合することに注目し、充放電過程における正極−電解質−負極層の化学状態変化を同一視野内で”丸ごと”可視化することに初めて成功しました。
電子顕微鏡やX線タイコグラフィなどの高空間分解の顕微分光計測とTXM−XAFS法のような広域測定、電池全体の詳細かつ総合的な観察を通して、充放電に伴う化学状態の変化や劣化についての理解が進み、電池性能向上への貢献が期待できます。
本研究成果は2023年8月1日、米化学会が刊行する材料科学専門誌ACS Applied Energy Materialsオンライン版に掲載されました。
（2023年8月 4日：国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究所兼務） 助教 石黒志、国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究所、金属材料研究所兼務） 教授 高橋幸生）
詳細はこちらから（東北大学WEBサイト該当記事へ）
第4回 グリーン・シーズ研究会 レポート
GGP 第4回グリーン・シーズ研究会は、東北大学 多元物質科学研究所、金属資源プロセス研究センター長、本間 格 教授による「有機材料を用いたレアメタルフリー型リチウムイオン電池の研究開発」です。（以下講義から引用）
はじめに
私の専門は材料科学です。もともとはナノ材料・ナノテクの専門でしたが、過去ずっと電池材料の研究をしていたこともあり、有機材料を用いたレアメタルフリー型リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の開発をしています。
昨今、蓄電池ビジネスをはじめとした電池業界は活性化しており、市場がすごく伸びています。皆さんご存じのように、自動車業界はEVの時代を迎え世界的に電気自動車またはハイブリッド自動車の市場が爆発的に伸びています。革新的蓄電池というものは日本の経済成長にとても重要なわけです。
アカデミアでの電池材料の研究所において、ポスト・リチウムイオン電池研究の多くは、全個体電池やナトリウム電池になります。あるいは高容量型電池としての新しい概念として酸素デトックス・空気電池とか硫黄電池といった、新型電池の研究も進んでいます。
ところが現状、これらポスト・リチウムイオン電池は、コバルトやハイニッケルなどのレアメタル資材を多く使います。そのような市場がどんどん伸びて、EV車が出てくるとサプライチェーンリスクも上がってくるわけです。
電池資源の偏在
電池資源は非常に偏在しており、特定の国だけが産出・製錬していて、リスキーな状況であるといえます。昨今メディアでもサプライチェーンリスクが話題になっています。最近の政治状況では、特に中国やロシアという社会主義国とデカップリングさせて安定化しようという動きもあり、電池もそこと全く切り離せない状況です。
今回のサブタイトル「金属資源サプライチェーンリスクと革新的蓄電池開発」ですが、これからの10年20年というスケールで非常に重要な課題であり、私のようなアカデミアの研究者でもサプライチェーンリスクから逃れられず、これを解決するようなデジタル化がとても注目されています。
本日の講演では、サプライチェーンの未来提案の話、現実問題として私の研究しているセンターデバイスとしての有機蓄電池の話、３Dプリンティングの全個体電池のプロセッシングなどの話をします。レアメタルフリーでいうとマグネシウム電池の研究もずっとやっていますが本日は時間の関係で割愛したいと思います。
世界の政治経済状況の背景
なぜそんなにサプライチェーンリスクがクローブアップされるのか。また、サプライチェーンを安定化させるためにどんな施策がとられているかについての見解です。
令和4年8月1日に経済安全保障推進法案が施行された背景ですが、急にできたのではなく、施行のさらに一年前からアメリカでサプライチェーンリスク回避の政策を集めていました。そして施行前に日米外務・経済担当閣僚会合において「戦略的部門、特に半導体、電池、重要鉱物におけるサプライチェーンの強靭性を促進する」ために協力すると表明しています。要は相互依存をリスクとしてとらえたデカップリング戦略の政治です。それが技術開発で相互作用している理由です。
半導体や電池のサプライチェーンに未来がないというような報道が続いていますが、この経済安全保障推進法案は、4つの制度で成り立っています。
その中のひとつ「サプライチェーン強靭化」は、重要物資の安定供給を確保したいというものです。対象品目は、半導体、医薬品、電池、重要鉱物、水素などで、これらは2030年を過ぎると中国のシェアがトップになると予想されています。もともと重要鉱物は中国に精錬技術が偏在しています。サプライチェーンのデカップリングを取りたいというのは、特にコバルトなどが電池材料の要素であり懸念があるためです。
東北大学多元物質科学研究所 金属資源プロセス研究センター
コバルトの歴史に関わる、私の研究所の紹介をします。私は、東北大学多元物質科学研究所 金属資源プロセス研究センター長を務めています。このセンターの前身は、今から80年前、昭和17年に作られた東北大学選鉱製錬研究所になります。当時の日本は、銅・亜鉛・鉄・コバルト・ニッケルなどの金属資源生産が需要に追い付かず、この研究所はコバルトなどのサプライチェーンリスク回避のためにできました。
当時の経済政治状況・国際状況は、現在と酷似しています。昭和12年に日華事変が起き、優良コバルト鉱の産出が金門島にあるという情報から「金門島産コバルト鉱の製錬」という国策プロジェクトが立ち上がりました。当時、ひっ迫していたコバルト供給の製錬をするため初代所長：濱住先生がこの研究所の最初の論文「金門島産コバルト鉱製錬研究」を発表され、コバルト鉱石製錬の研究が始まりました。
そして80年たった今、リチウムイオン電池EV車の時代が到来し、再びコバルトの不足が深刻化しています。研究所ができたときの国際情勢と全く同じ環境に置かれており、温故知新、濱住先生の論文を改めて読みました。イントロダクションの「日華事変以降、日本および欧州でも需要が増加しつつも産出国は輸出制限を行ったため、①代用品の研究②国内資源からのコバルト回収・生産が図られた」(要約)については今も研究されており、非常に先見の明があった先生といえます。
「代用品の研究」とは、豊富な元素を使って必要な産業製品を作ろうというものです。これを現在のリチウムイオン電池に置き換えると、ナトリウム電池やレアメタルフリー電池にあたります。私の研究も「代用品の研究」になります。
本日紹介する有機電池は、レアメタルを一切使わない電池になります。また、現在はコバルトの回収などの研究が主流ですが、これも80年前に濱住先生がやろうとされていた「②国内資源からのコバルト回収・生産」と同じことになります。
講演内容
- コバルトなどの金属資源サプライチェーンの未来展望
- 金属資源サプライチェーンリスクを回避した有機蓄電池
- 全個体電池の3Dプリンティング
（続きはGGPのご参加による見逃し配信でご覧いただけます。）
（引用以上）
第5回グリーン・シーズ研究会は9月7日開催
次回9月7日開催の第5回グリーン・シーズ研究会は、上田恭介 准教授による「生体用セラミックスを用いたインプラントへの機能付与」です。
人工関節や人工歯根といったインプラントは、骨との迅速かつ強固な結合が求められます。加えて、インプラント表面に付着した細菌や口腔内細菌による炎症予防のために、抗菌性も求められます。上田先生は、チタニア(TiO2)や生体内溶解性リン酸カルシウムを用いた表面処理について検討してきました。
本講義では、高温酸化による可視光応答型チタニア皮膜の作製、スパッタ法による抗菌元素担持非晶質リン酸カルシウム(ACP)の作製、これらの抗菌性・抗ウイルス性評価についてご紹介いたします。