理想界面を用いた高温イオニクスデバイスヘテロ界面構造の解明と高活性電極の創製

• Project/Area Number: 11J01074
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute (2012); Kyoto University (2011)
• Principal Investigator: 伊奈 稔哲 公益財団法人高輝度科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員
• Project Period (FY): 2011 – 2012
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000); Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 高温電気化学デバイス / 電極反応機構解明 / 混合導電性材料

Research Abstract

本年度は、電極/電解質の界面構造を明らかにして、イオン移動現象に寄与する諸性質(空間電荷層、力学的歪み等)の寄与を明確にする。これらを組み合わせて、高温電気デバイスの高性能カソード設計指針を得ることを目指す。
格子間酸素系混合導電性材料に対してさらに、酸化物イオン伝導は酸化物イオン伝導経路上の一番断面積の小さい領域であるボトルネックの大きさにより決定されていることが分かった。表面交換反応係数と酸化物イオン導電率に強い相関が得られたことから、バルクサンプルにおいて表面反応速度を向上させるには、酸化物イオン伝導のボトルネックサイズの変化が有効であることが分かった。
電解質/電極ヘテロ接触界面におけるミスマッチを利用した、力学的な変調によりボトルネックサイズを制御することで、電極特性の向上を狙った。単一配向ナノ薄膜に対するin situ XAFS測定から、力学変調により、易動度とキャリアイオン濃度の制御が可能であることが分かった。さらに、圧縮応力ではなく引っ張り応力を用いることによって、高い活性を示す電極の作製が期待できることが示された。
酸化物のヘテロ接触界面近傍における材料の状態をより詳細に直接観察する分析手法として、電極内部の深さ方向への分解能を有する深さ分解in situ XAFS測定に着目し、単一配向ナノ薄膜の解析に適用した。深さ分解XAFS測定により、基板からの圧縮応力がかかる系では、格子のミスマッチは基板との界面において最も顕著であり、基板から離れるにつれて構造歪が緩和されることが明らかになった。
以上より、格子間酸素系混合導電性電極の電極特性は格子のミスマッチを利用することで制御できることが明らかとなった。ボトルネックサイズを広げる方向に応力がかかるようにすれば高性能電極が得られると予想される。

Research Products

• [Journal Article] Charge compensation mechanisms in Li_<1.16>Ni_<0.15>Co_<0.19>Mn_<0.50>O_2 positive electrode material for Li-ion batteries analyzed by a combination of hard and soft X-ray absorption near edge structure (2013)
  • Author(s): M. Oishi, T. Fujimoto, Y. Takanashi, Y. Orikasa, A. Kawamura, T. Ina, H. Yamashige, D. Takamatsu, K. Sato, H. Murayama, H. Tanida, H. Arai, H. Ishii, C. Yogi, I. Watanabe, T. Ohta, A. Mineshige, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • Journal Title: Journal of Power Sources Volume: 222 Pages: 45-51
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.08.023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray absorption spectroscopic study on La_<0.6>Sr_<0.4>CoO_<3-δ> cathode materials related with oxygen vacancy formation (2011)
  • Author(s): 折笠有基, 伊奈稔哲, 中尾孝之, 嶺重温, 雨澤浩史, 大石正嗣, 荒井創, 小久見善八, 内本喜晴
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 115 Issue: 33 Pages: 16433-16438
  • DOI: 10.1021/jp2029642
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An X-ray absorption spectroscopic study on mixed conductive La_<0.6>Sr_<0.4>Co_<0.8>Fe_<0.2>O_<3-δ> cathodes. I. Electrical conductivity and electronic structure (2011)
  • Author(s): 折笠有基, 伊奈稔哲, 中尾孝之, 嶺重温, 雨澤浩史, 大石正嗣, 荒井創, 小久見善八, 内本喜晴
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 13 Pages: 16637-16643
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local structural analysis for oxide ion transport in La_<0.6>Sr_<0.4>CoO_<3-δ> cathodes (2011)
  • Author(s): 折笠有基, 中尾孝之, 大石正嗣, 伊奈稔哲, 嶺重温, 雨澤浩史, 荒井創, 小久見善八, 内本喜晴
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry Volume: 21 Pages: 14013-14019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Depth-resolved X-ray absorption spectroscopic study on nanoscale observation of the electrode-solid electrolyte interface for all solid state lithium ion batteries (2011)
  • Author(s): 奥村豊旗, 中堤貴之, 伊奈稔哲, 折笠有基, 荒井創, 福塚友和, 入山恭寿, 宇留賀朋哉, 谷田肇, 内本喜晴, 小久見善八
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry Volume: 21 Pages: 10051-10060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of lithium ion conductivity for A-site disordered lithium lanthanum titanate perovskite oxides by fluoride ion substitution (2011)
  • Author(s): 奥村豊旗, 伊奈稔哲, 折笠有基, 荒井創, 内本喜晴, 小久見善八
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry Volume: 21 Pages: 10061-10068
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of average and local structures on lithium ion conductivity in La_<2/3-x>Li_<3x>TiO_3 (2011)
  • Author(s): 奥村豊旗, 伊奈稔哲, 折笠有基, 荒井創, 内本喜晴, 小久見善八
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry Volume: 21 Pages: 10195-10205
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Phase Transformation Mechanism during Cycling of Li_2FeSiO_4 (2012)
  • Author(s): T. N. Masese, H. Arai, Y. Orikasa, T. Ina, C. Tassel, K. Nakanishi, T. Ohta, K. Hiroshi, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • Organizer: PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii
  • Year and Date: 2012-10-08
• [Presentation] Depth-Resolved X-ray Absorption Spectroscopic Study on Nanoscale Observation of the Electrode-Electrolyte Interface for All Solid State Lithium-Ion Batteries (2012)
  • Author(s): T. Ina, T. Okumura, T. Nakatsutsumi, Y. Orikasa, H. Arai, Y. Iriyma, T. Uruga, H. Tanida, Z. Ogumi, Y. Uchimoto
  • Organizer: PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii
  • Year and Date: 2012-10-08
• [Presentation] 高温電解系における格子間酸素系カソード材料の点欠陥構造と反応活性 (2011)
  • Author(s): 伊奈稔哲, 折笠有基, 内本喜晴
  • Organizer: 第35回電解技術討論会
  • Place of Presentation: 同志社大学
  • Year and Date: 2011-11-15
• [Presentation] Oxygen Chemical Potential Profile of SOFC Cathode by in-situ Depth Resolved XAS Measurement (2011)
  • Author(s): 伊奈稔哲, 中尾孝之, 折笠有基, 谷田肇, 宇留賀朋哉, 雨澤浩史, 嶺重温, 内本喜晴
  • Organizer: International Symposium on Renewable Energy & Materials Tailoring
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2011-09-18
• [Presentation] Oxygen Chemical Potential Profile of SOFC Cathode by in-situ Depth Resolved XAS Measurement (2011)
  • Author(s): 伊奈稔哲, 中尾孝之, 折笠有基, 谷田肇, 宇留賀朋哉, 雨澤浩史, 嶺重温, 内本喜晴
  • Organizer: 62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • Year and Date: 2011-09-13
• [Presentation] 深さ分解XAFS法による高温系電気化学反応解析 (2011)
  • Author(s): 伊奈稔哲, 折笠有基, 内本喜晴
  • Organizer: 第21回電極材料研究会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2011-07-29
• [Remarks]
  • URL: http://www.uchimoto.jinkan.kyoto-u.ac.jp/