誘電体キャパシター、最高のエネルギー密度を実現：厚みが分子レベルのナノシート開発

名古屋大学の研究グループは、物質・材料研究機構（NIMS）と共同で、厚みが分子レベルのナノシートを開発。このシートを積層した誘電体蓄電キャパシターで、世界最高レベルのエネルギー密度を実現した。全固体蓄電デバイスへの応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

誘電体としてCa₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシートに注目

　名古屋大学未来材料・システム研究所の長田実教授らによる研究グループは2023年5月、物質・材料研究機構（NIMS）の佐々木高義フェローらと共同で、厚みが分子レベルのナノシートを開発した。このシートを積層した誘電体蓄電キャパシターで、174〜272 J/cm³という世界最高レベルのエネルギー密度を実現した。全固体蓄電デバイスへの応用が期待される。

　研究グループはこれまで、厚みが1.5〜3nmで高い誘電率と絶縁性を備えたナノシートおよび、デバイスの開発に取り組んできた。この中で、常誘電体ペロブスカイトナノシートが、線形の分極特性を示し、巨大分極（高誘電率化）と高耐電圧化を同時に実現できることを見いだした。

誘電キャパシターの分極−電界特性と蓄電特性 出所：名古屋大学

　そこで今回、蓄電キャパシター用の誘電体として、ペロブスカイト構造のCa₂Na_m-3Nb_mO_3m+1（m＝3〜6）ナノシートに注目した。開発したCa₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシートは、金属酸素八面体（NbO₆八面体）3個から6個分を単体として取り出した、極めて薄い誘電体である。「m」の数を変えれば、厚みが0.4nmのNbO₆八面体1個単位で、その構造と誘電特性を制御できるという。

　実際に、Ca₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシートでは、誘電率が210であるNbO₆八面体3個の「Ca₂Nb₃O₁₀」ナノシートを基準として、NbO₆八面体を1個増やせば、誘電率は約80ずつ増える。そして、NbO₆八面体が6個の「Ca₂Na₃Nb₆O₁₉」ナノシートでは、誘電率が470に達した。しかも、Ca₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシートは、400MV/m程度の耐電圧特性を備えていることを確認した。

Ca₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシートの結晶構造とナノシート単体の形状像および、誘電特性 出所：名古屋大学

　ナノシートを合成するため、層状ペロブスカイト（KCa₂Na_m-3Nb_mO_3m+1）を出発原料とした。そして、ソフト化学プロセスを用いて層をはがし、Ca₂Na_m-3Nb_mO_3m+1を合成した。さらに、ラングミュアプロジェット（LB）法を用い、ナノシートを秩序正しく配列させてキャパシターを作製した。単層膜の作製工程を繰り返すことで、膜厚を制御しながら多層膜を作製する。その上に直径100mmの金電極を形成した。

ナノシートの誘電体キャパシターを製造する流れ［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

LB法で作製したCa₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシート積層膜の断面像［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　研究グループは、作製したキャパシターの分極特性を評価した。この結果、「m」の数が3と4、6のナノシートは、分極特性が線形の応答を示し、理想的な常誘電体の挙動となった。しかも、400MV/m程度の高い電界を印加することが可能なことも分かった。一方、「m」の数が5のナノシートはヒステリシス特性を示した。

　続いて、エネルギー密度の評価を行った。「m＝3」で174、「m＝4」で200、「m＝5」で215、「m＝6」で274となり、「m」の数が増えるとエネルギー密度は増大することを確認した。今回確認したエネルギー密度は、従来の高誘電体や強誘電体薄膜に比べ2〜10倍も大きいことが分かった。

Ca₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシートの分極特性とエネルギー密度［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　エネルギー密度や出力密度について、ナノシートを用いて新たに開発した誘電体キャパシターと従来品を比較した。この結果、開発した誘電体キャパシターは従来品と同等の高い出力密度を維持しつつ、1〜2桁大きいエネルギー密度を得られることが分かった。しかも、リチウム二次電池や電気二重層キャパシターに匹敵する高いエネルギー密度を実現したという。また、優れたサイクル安定性や300℃までの高温安定性を備えていることも確認した。

主な蓄電デバイスにおける、エネルギー密度と出力密度の比較 出所：名古屋大学