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Study on Local Structural Disorder in Fuel Cell Battery Materials using Combining Quantum Beam Scattering and Computational Simulation

Research Project

Project/Area Number 19K05070
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
Research InstitutionJapan Atomic Energy Agency

Principal Investigator

IGAWA Naoki  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (60354833)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 樹神 克明  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (10313115)
飯久保 智  九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (40414594)
田口 富嗣  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員 (50354832)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywords局所乱れ / 燃料電池材料 / 中性子回折 / 結晶構造 / 燃料電池 / 局所構造解析 / 中性子回折法 / 第一原理計算 / 水素
Outline of Research at the Start

燃料電池の性能向上のためには、電池を構成するイオン伝導性材料のより一層の高度化が重要となる。そのために重要なキーとなるのが、材料の構造変化や伝導イオン挙動の解明である。イオン伝導度といった機能性は、結晶構造と強い関係を持つ。また、水素イオン導入による局所的な構造の乱れの変化などは依然不明である。本研究では、これらを解決するため、X 線や中性子線等の量子ビームを利用した散乱法を用いて材料の平均構造や局所的な乱れを解析する。また、計算機シミュレーションを組合せて解析することで、各々の単独の手法ではなし得ない、燃料電池材料中の局所構造の乱れと水素の存在位置や伝導挙動の相関の解明を目指す。

Outline of Final Research Achievements

We analyzed the average structure and local structure of solid electrolytes for fuel cell-battery by combining the diffraction method, the atomic pair correlation function analysis method using quantum beams, and the first-principles calculation simulation. We found that when the hydrogen atom is placed near the oxygen atom, it has a lower energy and a more stable structure. Also, the trivalent cation and the tetravalent cation occupy the same crystal site, but the first-principles calculation simulation shows that the trivalent cation-oxygen distance is longer than the tetravalent cation-oxygen distance. It indicates that the local distortion occurs in the crystal structure. This study has made it possible to analyze the crystal position of hydrogen and crystal disorder in the solid electrolyte.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子ビーム散乱とリートベルト解析/最大エントロピー法解析を組み合わせることで得られる結晶構造や中性子が有する水素探知能力を生かした結晶原子対相関関数解析法と第一原理計算シミュレーションから得られる局所構造情報を相互にフィードバックしながら、総合的に評価することにより、燃料電池材料の水素イオン伝導に係る重要なファクターである、局所的な結晶構造の乱れと水素の位置を明らかにしたことは、燃料電池材料中のイオン伝導と結晶乱れの関係を解明する上での貴重な一歩と言える。本手法を通して、今後の燃料電池材料の性能向上を目指した材料設計に大きな貢献をもたらすものと期待できる。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Magnon mode transition in real space2022

    • Author(s)
      Iida Kazuki、Kodama Katsuaki、Inamura Yasuhiro、Nakamura Mitsutaka、Chang Lieh-Jeng、Shamoto Shin-ichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 206631-7

    • DOI

      10.1038/s41598-022-22555-9

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structural analysis of high-energy implanted Ni atoms into Si(100) by X-ray absorption fine structure spectroscopy2022

    • Author(s)
      Entani Shiro、Sato Shin-ichiro、Honda Mitsunori、Suzuki Chihiro、Taguchi Tomitsugu、Yamamoto Shunya、Ohshima Takeshi
    • Journal Title

      Radiation Physics and Chemistry

      Volume: 199 Pages: 110369-110369

    • DOI

      10.1016/j.radphyschem.2022.110369

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Surface nanostructures on Nb-doped SrTiO<sub>3</sub> irradiated with swift heavy ions at grazing incidence2022

    • Author(s)
      Ishikawa N、Fujimura Y、Kondo K、Szabo G L、Wilhelm R A、Ogawa H、Taguchi T
    • Journal Title

      Nanotechnology

      Volume: 33 Issue: 23 Pages: 235303-235303

    • DOI

      10.1088/1361-6528/ac58a5

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Incommensurately modulated crystal structure of alpha'(O'3)-type sodium cobalt oxide NaxCoO2 (x-0.78)2021

    • Author(s)
      Y. Miyazaki, N. Igawa, K. Yubuta
    • Journal Title

      Acta Cryst.

      Volume: B77 Issue: 3 Pages: 371-377

    • DOI

      10.1107/s205252062100370x

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magnetic structure of short-range ordering in intermetallic antiferromagnet Mn3RhSi2021

    • Author(s)
      Kodama Katsuaki、Honda Takashi、Yamauchi Hiroki、Shamoto Shin-ichi、Ikeda Kazutaka、Otomo Toshiya
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 90 Issue: 7 Pages: 074710-074710

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.074710

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magnetic Pair Distribution Function of Spin-glass System Mn0.5Fe0.5TiO32021

    • Author(s)
      Katsuaki Kodama, Takashi Honda, Kazutaka Ikeda, Shin-ichi Shamoto, Toshiya Otomo
    • Journal Title

      JPS Conference Proceedings

      Volume: 33

    • DOI

      10.7566/jpscp.33.011059

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Q Dependence of Magnetic Resonance Mode on FeTe0.5Se0.5 Studied by Inelastic Neutron Scattering2019

    • Author(s)
      Ishikado Motoyuki、Kodama Katsuaki、Kajimoto Ryoichi、Nakamura Mitsutaka、Inamura Yasuhiro、Ikeuchi Kazuhiko、Ji Sungdae、Arai Masatoshi、Shamoto Shin-ichi
    • Journal Title

      Condensed Matter

      Volume: 4 Issue: 3 Pages: 69-69

    • DOI

      10.3390/condmat4030069

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Synthesis of novel hybrid carbon nanomaterials inside silicon carbide nanotubes by ion irradiation2019

    • Author(s)
      Taguchi Tomitsugu、Yamamoto Shunya、Ohba Hironori
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 173 Pages: 153-162

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2019.05.007

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  • [Presentation] CsHSO4CsxH(3-x)PW12O40複合体の結晶構造2022

    • Author(s)
      深谷 奈菜, 樹神 克明, 井川 直樹, 髙橋 東之
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      日本物理学会2022年秋季大会
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  • [Presentation] CsHSO4CsxH(3-x)PW12O40複合体のマルチスケール構造解析2022

    • Author(s)
      深谷 奈菜, 樹神 克明, 井川 直樹, 前田 知貴, 能田 洋平, 小泉 智, 高橋 東之
    • Organizer
      第48回固体イオニクス討論会
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      樹神 克明, 山内 宏樹, 本田 孝志, 社本 真一, 井川 直樹, 池田 一貴, 大友 李哉
    • Organizer
      日本中性子科学会第22回年会
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  • [Presentation] アルミニウム-遷移金属合金水素化物の合成2021

    • Author(s)
      齋藤 寛之、内海 伶那、町田 晃彦、綿貫 徹、山本 春也、田口 富嗣、八巻 徹也、佐藤 豊人、高木 成幸、折茂 慎一、池田 一貴、大友 季哉
    • Organizer
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
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  • [Presentation] Al-Fe合金の高温高圧水素化反応2021

    • Author(s)
      齋藤 寛之、佐藤 豊人、谷上 真惟、池田 一貴、町田 晃彦、綿貫 徹、田口 富嗣、山本 春也、八巻 徹也、高木 成幸、大友 季哉、折茂 慎一
    • Organizer
      第62回高圧討論会
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  • [Presentation] 磁気PDF解析を用いた金属磁性体Mn3RhSiの短距離秩序相における磁気構造決定2021

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      樹神 克明, 本田 孝志, 山内 宏樹, 社本 真一, 池田 一貴, 大友 季哉
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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      田口 富嗣、大場 弘則
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第76回学術講演会
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  • [Presentation] 中性子回折による磁気冷凍材料 R5Pd2(R = Ho, Tb)の短距離秩序2019

    • Author(s)
      北澤 英明、河村 幸彦、L. Keller、寺田 典樹、鈴木 博之、間宮 広明、A. Donni、S. Lee、目時 直人、金子 耕士、井川 直樹
    • Organizer
      第43回日本磁気学会学術講演会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 中性子線を用いた結晶PDF解析2019

    • Author(s)
      樹神 克明
    • Organizer
      日本結晶学会2019年度年会シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] C-SiCナノチューブのイオン照射による新奇ハイブリッドカーボンナノ材料の創製2019

    • Author(s)
      田口 富嗣、山本 春也、大場 弘則
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第75回学術講演会
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Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

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