サムスン電子はスマートフォンのバッテリー容量を2倍に高めることができる技術を開発した。サムスン電子総合技術院は25日、市販のリチウムイオン電池よりも2倍近いエネルギー密度を実現できる、高結晶グラフェン（Graphene）をコーティングしたシリコン陰極素材の技術を開発したと明らかにした。

グラフェンは炭素原子6個から成る2次元結晶性物質で、鋼鉄よりも100倍強く、熱・電気の伝導性が非常に高い素材だ。

研究成果はこの日、科学ジャーナル『ネイチャー・コミュニケーションズ（Nature Communications）』に「SiC-free（Silicon carbide-free）グラフェン直成長シリコン陰極材料を用いた高容量リチウムイオン電池の実現」というタイトルで掲載された。

サムスン電子はこれに関連する技術に対し、米国・欧州・中国・韓国などに総5件の特許を出願した。電池業界によると、サムスン電子が今回開発した電池技術は、早ければ2018年ごろに商用化されると予想される。

サムスン電子総合技術院のソン・イニョク専門研究員は、「今回の研究は高結晶グラフェンの新規合成法を大容量のシリコン陰極に適用して、リチウムイオン電池の素材性能を大幅に高めた結果」だとし、「モバイル機器や電気自動車市場の拡大に合わせて、二次電池技術を継続的に革新していくつもり」だと語った。

リチウムイオン電池は1991年に最初に商用化されて以来、陰極や陽極素材の限界から、電池構造の最適化を通じた能力向上を中心に開発されてきた。

最近、陰極素材のグラファイトに比べて10倍以上容量を高められる素材候補としてシリコンの研究が活発に進められているが、電池の充放電が繰り返されて寿命が急激に低下する技術的な課題があった。

サムスン電子総合技術院はこの問題を解決できる、大容量・高耐久性の陰極材料を開発したわけだ。研究陣は物理的な強度と導電率の高いグラフェンを、世界に先駆けてシリコン表面上に成長させて、充放電中の体積膨張に起因する構造崩壊を防ぐグレフィン層を持つ構造の素材を合成した。

特に体積が膨張するときにグラフェン保護層がスライドし、耐久性を向上させるメカニズムを世界で初めて解明した。

この素材はグラファイトに比べ4倍の容量を持ち、このことから商用リチウムイオン電池に適用すると、2倍近いエネルギー密度を実現することができる。

サムスン電子総合技術院はまた、ナノメートルスケールでのグラフェンのフォノン（phonon）の特性を制御できる技術も開発した。これはこの日の『ネイチャー・コミュニケーションズ』に「ナノメートルスケールでのグラフェンフォノン制御」というタイトルで掲載された。

アルゴン（argon／Ar）イオンをグラフェンに衝突させ、グラフェンと基板との間を広げて数ナノメートルの規模で純粋なグラフェンの状態を実現することに成功した。

今回の研究で、半導体線幅の10分の1のレベルであるナノメートルサイズの基板との相互作用の小さい、純粋なグラフェン領域を生成する方法を初めて提示した。

今回の研究で、今後のグラフェンを活用した高集積半導体素子の設計と分析の基盤を整えることになった。

[チョン・スンファン記者]





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