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ホロコーン照射を用いた蓄電固体材料のヘテロ/ホモ界面状態の2次元/3次元構造解析

Research Project

Project/Area Number 21H04625
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research InstitutionOsaka Metropolitan University (2022-2023)
Osaka Prefecture University (2021)

Principal Investigator

森 茂生  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (20251613)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 作田 敦  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30635321)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥43,550,000 (Direct Cost: ¥33,500,000、Indirect Cost: ¥10,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2021: ¥29,250,000 (Direct Cost: ¥22,500,000、Indirect Cost: ¥6,750,000)
Keywords透過型電子顕微鏡 / 結晶化ガラス / ホロコーン暗視野法 / トモグラフィ観察 / ホロコーン照射 / 硫化物系固体電解質 / 3D電子線トモグラフィ
Outline of Research at the Start

結晶化ガラス系蓄電固体材料で構成される全固体電池のイオン伝導度や充放電サイクル特性等の電池特性は、ヘテロ/ホモ界面状態及び物理化学的因子に支配されている本研究では、電子線を用いたホロコーン照射による2次元/3次元構造観察法を確立し、ヘテロ/ホモ界面近傍でのナノスケールで生じる結晶/非晶質状態の定量的な評価・解析を行う。本観察手法を用いて、高速イオン伝導の起源となるナノ構造(結晶、ガラス、界面構造)の2次元/3次元構造の直接観察を行い、高速イオン伝導の物理的起源を明らかにし、全固体電池実現に向けた次世代電池材料を開発するための新たな一歩を踏み出す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてホロコーン暗視野法と3次元立体構造可視化法を融合させ、ガラスセラミックス系蓄電固体材料を研究対象材料とし、空間的に不均一に形成されているナノ構造や正極/固体電解質の界面構造の結晶構造、結晶対称性、サイズ、形状や密度(結晶化度)等を定量的に評価・解析できる3次元ナノ構造可視化・計測法を開発する。特に、大気非暴露環境下でのTEMを用いた加熱その場観察法を確立するとともに、ホロコーン暗視野法と電子線トモグラフィ法を用いて、非晶質構造中に形成される結晶化領域のサイズ、形状、結晶対称性を明らかにすることを目的に研究を進めた。
2023年度において、2022年度までに作製した電子線トモグラフィ法用ホルダーの試料回転角やX軸傾斜角の精度の確認を行った。また、電子線トモグラフィ法を電子線照射に敏感な硫化物系正極活物物質に適応し、3次元トモグラフィ像を得るための実験条件を精査した。電子線トモグラフィ法を、全固体電池用の電極複合体に応用し, 電解質/活物質界面の三次元形態を捉えることに成功した.
さらに、酸化物固体電解質Li4GeO4と80Li4GeO4∙20Li2SO4 (Li3.6Ge0.8S0.2O4 )ガラスセラミックスから成る結晶/非晶質複合材料に対して、上記のTEMを用いたホロコーン暗視野法と電子線トモグラフィ法に加え、高分解能TEM観察や電子回折を用いた二体相関分布関数(PDF)解析を適用し、Li4GeO4とLi3.6Ge0.8S0.2O4ガラスセラミックスの非晶質構造およびナノ結晶の構造的特徴を明らかにした。本物質系の結晶/非晶質複合材料のイオン導電性には、結晶構造や非晶質相と結晶相の存在割合(結晶化分率)や結晶相/非晶質相との界面構造等が大きく影響していることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

透過型電子顕微鏡を用いた結晶化ガラス固体電解質の微細構造観察法として、ホロコーン照射による暗視野法を確立するために、ホロコーン照射光学系の電子線偏向角度と角度制限絞りとの相関を計測し、傾斜角度の制御精度の最適条件を決定した。さらに、電子線トモグラフィ法を電子線照射に敏感な硫化物系正極活物物質に適応し、3次元トモグラフィ像を得るための実験条件を決定した。これらの手法を全固体電池用の電極複合体に応用し, 電解質/活物質界面の三次元形態を捉えることに成功した.また、結晶化ガラス状態において、高分解能TEM観察や電子回折を用いた二体相関分布関数(PDF)解析を行うことにより、Li4GeO4とLi3.6Ge0.8S0.2O4ガラスセラミックスの非晶質構造およびナノ結晶の構造的特徴を明らかにした。これらの状況を鑑みて、研究は順調に進んでいるといえる。

Strategy for Future Research Activity

昨年度に引き続き、大気非暴露環境下でのTEMを用いた加熱その場観察法、ホロコーン暗視野法と電子線トモグラフィ法を用いて、非晶質構造中に形成されるナノ構造体(結晶化領域)のサイズ、形状、結晶対称性を明らかにする。最終年度は、硫黄系結晶化ガラス固体電解質材料に対して、ホロコーン暗視野法を用いた加熱その場観察により、結晶相の形成過程を明らかにし、結晶相および結晶化プロセスに与える電極-固体電解質界面の影響を明らかにする。本研究で作製した電子線トモグラフィ法を用いて、結晶化領域の3次元可視化を行い、非晶質構造中のどこから結晶化が生じるか、どのようなサイズで、どのように結晶成長するか、イオン伝導度とどのような相関が存在するか といった固体電解質としての結晶化ガラス材料の基本的知見を得る。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2021

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 7 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results)

  • [Journal Article] NaTaCl<sub>6</sub>: Chloride as the End-Member of Sodium-Ion Conductors2024

    • Author(s)
      Motohashi Kota、Tsukasaki Hirofumi、Sakuda Atsushi、Mori Shigeo、Hayashi Akitoshi
    • Journal Title

      ACS Materials Letters

      Volume: 6 Issue: 4 Pages: 1178-1183

    • DOI

      10.1021/acsmaterialslett.3c01445

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 3D observation using TEM tomography of solid electrolyte?electrode interface in all-solid-state Li-ion batteries2023

    • Author(s)
      Oshiro Satoru、Tsukasaki Hirofumi、Nakajima Hiroshi、Sakamoto Keigo、Hayashi Yuki、Sakuda Atsushi、Hayashi Akitoshi、Mori Shigeo
    • Journal Title

      Journal of Solid State Electrochemistry

      Volume: 23 Issue: 12 Pages: 05714-4

    • DOI

      10.1007/s10008-023-05714-4

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanism Exploration of Li2S-Li2O-LiI Positive Electrodes with High Capacity and Long Cycle Life via TEM Observation2023

    • Author(s)
      Ding Jiong、Fujita Yushi、Tsukasaki Hirofumi、Nakajima Hiroshi、Sakuda Atsushi、Hayashi Akitoshi、Mori Shigeo
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: 6 Issue: 18 Pages: 9737-9742

    • DOI

      10.1021/acsaem.3c01858

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural Investigation of Li2O-LiI Amorphous Solid Electrolytes2023

    • Author(s)
      Fujita Yushi、Kimura Takuya、Deguchi Minako、Motohashi Kota、Sakuda Atsushi、Tatsumisago Masahiro、Tsukasaki Hirofumi、Mori Shigeo、Ikeda Kazutaka、Ohara Koji、Kuwata Naoaki、Amezawa Koji、Hayashi Akitoshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 127 Issue: 30 Pages: 14687-14693

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c03876

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] In situ observation of the deterioration process of sulfide-based solid electrolytes using airtight and air-flow TEM systems2021

    • Author(s)
      H. Tsukasaki, K. Igarashi, A. Wakui, T. Yaguchi, H. Nakajima, T. Kimura, A. Sakuda, M. Tatsumisago, A. Hayashi, S. Mori
    • Journal Title

      Microscopy

      Volume: 70 Issue: 6 Pages: 519-525

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfab022

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Crystallization behaviors in superionic conductor Na3PS42021

    • Author(s)
      H. Nakajima, H. Tsukasaki, J. Ding, T. Kimura, T. Nakano, A. Nasu, A. Hirata, A. Sakuda, A. Hayashi, and S. Mori
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: 511 Pages: 230444-230444

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2021.230444

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Microstructure and Charge-Discharge Mechanism of a Li3CuS2 Positive Electrode Material for All-Solid-State Lithium-Ion Batteries2021

    • Author(s)
      T. Ayama, H. Tsukasaki, Y. Kawasaki, H. Nakajima, M. Tatsumisago, A. Sakuda, A. Hayashi, S. Mori
    • Journal Title

      ACS Appl. Energy Mater.

      Volume: 4 Issue: 6 Pages: 6290-6295

    • DOI

      10.1021/acsaem.1c01074

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 電極-電解質二元機能物質 Li2S-M-LiI(M=V2S3, MoS2)の微細構造と充放電サイクル特性2024

    • Author(s)
      大崎 真人, 堀内 大輝, 塚崎 裕文, 中島 宏, 重冨 竜輝, 作田 敦, 林 晃敏, 森 茂生・山本 健太郎・潘 &#38639;&#20029;・渡邊 稔樹・内本 喜晴
    • Organizer
      公益社団法人日本セラミックス協会2024年年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] TEM Observation of the Deterioration and Thermal Recovery Process of Argyrodite-type Solid Electrolytes under Dry-Room-Simulated Condition2023

    • Author(s)
      Hirofumi Tsukasaki and Shigeo Mori
    • Organizer
      Microscopy & Microanalysis 2023 Minneapolis (July 23-27, 2023)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] TEM Observation of Microstructure and Morphology of the SnO-B2O3 Glassy Electrode Composites for All-solid-state Lithium-ion Batteries2023

    • Author(s)
      Keigo SAKAMOTO, Hirofumi TSUKASAKI, Yuki HAYASHI, Takuya KIMURA, Atsushi SAKUDA, Akitoshi HAYASHI, Shigeo MORI
    • Organizer
      International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2023 Singapore (June 26-30, 2023)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electrode-electrolyte Bifunctional Material in the System Li2S-V2S3-LiI for All-solid-state Li/S Battery2023

    • Author(s)
      Tatsuki SHIGEDOMI, Yushi FUJITA, Kota MOTOHASHI, Hirofumi TSUKASAKI, Hiroshi NAKAJIMA, Masato OSAKI, Shigeo MORI, Masahiro TATSUMISAGO, Atsushi SAKUDA, Akitoshi HAYASHI
    • Organizer
      International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2023 Singapore (June 26-30, 2023)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] TEM Observation of Microstructures of Li2S-V2S3-LiI Positive Electrodes for All-solid-state Lithium Batteries2023

    • Author(s)
      Masato OSAKI, Hirofumi TSUKASAKI, Hiroshi NAKAJIMA, Tatsuki SHIGEDOMI, Atsushi SAKUDA, Akitoshi HAYASHI, Shigeo MORI
    • Organizer
      International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2023 Singapore (June 26-30, 2023)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] TEM Observation of Microstructures in Li2S-Li2O-LiI Positive Electrode Material2023

    • Author(s)
      Jiong DING, Yushi FUJITA, Hiroshi NAKAJIMA, Hirofumi TSUKASAKI, Akitoshi HAYASHI, Atsushi SAKUDA, Shigeo MORI
    • Organizer
      International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2023 Singapore (June 26-30, 2023)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 硫化物型全固体リチウム電池におけるSnO-8211;B2O3系負極の特性評価と電子顕微鏡観察2023

    • Author(s)
      林 侑希, 木村 拓哉, 坂本 圭悟, 塚崎 裕文, 森 茂生, 本橋 宏大, 作田 敦, 林 晃敏
    • Organizer
      第64回電池討論会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Li2S-V2S3-V2O3-LiI系電極-電解質二元機能物質の全固体Li/S電池への応用2023

    • Author(s)
      重冨 竜輝, 藤田 侑志, 堀内 大輝, 大崎 真人, 塚崎 裕文, 森 茂生, 本橋 宏大, 辰巳砂 昌弘, 作田 敦, 林 晃敏
    • Organizer
      第64回電池討論会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] [9]TEMによる硫化物型全固体電池用LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極の発熱反応解析2023

    • Author(s)
      塚崎 裕文,杉浦 晃一,新谷 彩子,川合 光幹,森 茂生
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第79回学術講演会,
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] TEMトモグラフィー法を用いた全固体電池用電極材料の微細構造観察2023

    • Author(s)
      大代 知,塚崎 裕文,中島 宏,坂本 圭悟,林 侑希,本橋 宏大,作田 敦,林 晃敏,森 茂生
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第79回学術講演会
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      2022 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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