中性子・放射光X線散乱を用いた充放電中の蓄電池の伝導イオンの時空間流れの解明
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20K05061
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26010:Metallic material properties-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
福永 俊晴 京都大学, 複合原子力科学研究所, 名誉教授 (60142072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 一広 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (40362412)
中村 秀仁 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (60443074)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 中性子散乱 / X線回折 / 原子構造 / イオン伝導 / 電池材料 / MEM解析 / BVS解析 / 熱分析 / Ｘ線回折 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、充放電下で全固体蓄電池の中性子散乱（回折）実験を行い、電池性能を高めるための「伝導イオンが高速で移動できる固体構造及び固ー固界面構造」を明らかにすることである。第４世代中性子回折装置SPICAや世界トップクラスの装置を活用し、充放電中の固体構造（原子配列）と固ー固界面構造を原子レベルで可視化するとともに、伝導イオンの動きも直接観察する。同時に、歪んだ結晶や非晶質でも伝導イオンの流れを可視化できるBVSイメージング法や、進化させた界面BVSイメージング法を活用し、充放電中の固体内のイオン伝導経路や固ー固界面内イオン伝導経路も可視化し、伝導イオンの時空間流れを明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、J-PARC/MLFの中性子回折装置群(SPICA, S-HPRD, NOVA)や準弾性散乱装置DNAを活用し、固体電解質の構造を知るとともにイオン伝導経路を明らかにする。さらに、全固体電池の充放電中（オペランド実験）の構成物質（正極、負極、固体電解質）の原子配列の可視化を目指すとともに、原子レベルの伝導イオン経路の解明とその伝導イオンの動きも直接観察する。その解析において、BVSイメージング法を活用し、固体内のイオン伝導経路を可視化し、伝導イオンの流れを原子レベルで明らかにすることを目的としている。これまで、交流インピーダンス装置、X線回折装置および中性子回折装置群(SPICA, S-HPRD, NOVA)を利用して、新たに合成した固体電解質のイオン伝導特性、構造相転移および詳細な 結晶構造(室温、高温)の評価を行い伝導経路の解明を行ってきている。
今回、メカニカルミリングおよび熱処理(573K)により(BaF2)x(SnF2)1-x試料を作製した。組成がx=0.54試料で最高のイオン伝導度が得られている。これらの試料の中性子回折実験データを用いてリートベルト解析を行った結果、PbSnF4に類似した結晶構造モデル（正方晶、空間群：P4/nmm）により良好なフィッティング結果を得ることができた。これにより、(BaF2)0.43(SnF2)0.57の結晶構造の中に「-SnSnMMSnSn-」層(M=Ba/Sn)が存在していることを明らかにした。さらに、フッ素の異方性温度因子の広がりから[-F1-F3-F1-]経路がフッ化物イオン伝導に寄与していると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナ禍が少し収まり、中性子散乱実験を行うためのJ-PARC/MLFへの出張が再開し、試料送付で行う依頼実験だけでなく、現地に赴いて実験を行うことができた。そのため、中性子散乱実験が順次行えるようになった。同時に、研究分担者がKEKに教授として栄転したので、複雑な中性子散乱研究（特にオペランド実験）が可能となり、順次計画を遂行できるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、次世代型革新電池としてフッ化物系全固体電池の研究を行なっており、その中でもフッ素系固体電解質に着目して、その原子構造とイオン伝導経路の解明を推し進めている。 今後、我々は世界最高のフッ素イオン伝導特性を持つ固体電解質を見出すため、他大学の研究者や企業の研究者と共に系統的な研究を行い、その構造ならびにフッ素イオン伝導経路の解明を遂行する。同時に、全固体電池をも製作し、全固体電池の充放電中の中性子回折オペランド実験（初期的実験は完了）を行い、充放電中のイオン伝導経路の解明を推し進めていく計画である。
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Report
(3 results)
Research Products
(12 results)
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[Journal Article] Electrochemical, Thermal, and Structural Features of BaF2－SnF2 Fluoride-Ion Electrolytes2021
Author(s)
Kazuhiro Mori, Atsushi Mineshige, Takuro Emoto, Maiko Sugiura, Takashi Saito, Kaoru Namba, Toshiya Otomo, Takeshi Abe, and Toshiharu Fukunaga
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Journal Title
J. Phys. Chem. C
Volume: 125
Issue: 23
Pages: 12568-12577
DOI
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Peer Reviewed / Open Access
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