Mechanics and Mechanoionics of Solid Electrochemical Devices
| Project/Area Number |
23K22625
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| Project/Area Number (Other) |
22H01354 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
荒木 稚子 東京工業大学, 工学院, 教授 (40359691)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荒居 善雄 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (70175959)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
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| Keywords | イオン拡散 / 力学的挙動 / イオニクス / 全固体電池 / 応力 / 力学特性 / イオン伝導 / 強弾性 / 機械的特性 |
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| Outline of Research at the Start |
全固体リチウムイオン電池をはじめとする次世代固体電気化学デバイスの開発が国内外で進められている．本研究では，次世代固体電気化学デバイスの信頼性・性能向上を目指し，特に全固体リチウム電池に用いられるイオン伝導性ペロブスカイト型酸化物について，そのメカニクス（力学的問題）およびメカノイオニクス（力学と拡散の連成問題）に関する諸問題解決と学理構築に挑む．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，次世代固体電気化学デバイスの信頼性・性能向上を目指し，特に全固体リチウム電池に用いられるイオン伝導性ペロブスカイト酸化物について，そのメカニクスおよびメカノイオニクスに関する諸問題解決に挑むものである．
全固体電池用電解質であるLLMO(Li-La-M-O)酸化物は，Li+の配置に応じて c軸面外方向に層状秩序結晶構造を有する．面外秩序と拡散特性に関して多くの研究報告がある一方，ab面内や3次元秩序と拡散，さらに力学特性に関する報告はない．秩序構造は，電池性能・安全上で重要なだけでなく，秩序制御による特性向上や新奇特性発現が期待される上，擬弾性や干渉を理解するためにも必須である．そこで本研究では，LLMOの3次元秩序と力学・拡散特性の解明を目指す．本年度は，アニール条件を変化させることにより秩序指数を制御した試料を作製することに成功するとともに，これらを用いて秩序指数とドメイン構造を示唆する結果が得られた．
一方，全固体電池用酸化物の擬弾性機構・挙動解明は，デバイス安全性を考える上で重要なだけでなく，擬弾性ドメインによる拡散制御や新奇機能創出につながることが期待される．そこで本研究では，LLMOの擬弾性ドメイン構造が発現する力学・拡散特性の解明に取り組む．本年度は，まず，固体酸化物型燃料電池用電極材料であるLSCF(La-Sr-Co-Fe-O）を用い，電子顕微鏡内での微視的負荷試験を行い，力学的挙動を測定すると同時に，ドメイン構造変化を観察する手法を確立した．その後，全固体電池用電解質材料であるLa-Li-Nb-Oについて，擬弾性とドメイン構造変化をin-situで捉えることに成功した．
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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
微視的な三次元構造秩序とドメイン構造に関する知見が得られた．擬弾性とドメイン構造の評価方法を確立し，その場観察に成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
微視的秩序構造については，本年度は，アニール条件を変化させることにより秩序指数を制御した試料を作製することに成功するとともに，これらを用いて秩序指数とドメイン構造の関係に関する相関を示唆する結果が得られた．これらの結果に基づき，次年度は，実験では，特に無秩序の微視構造の材料の作製と評価を行う．また数値解析では，秩序構造と力学的特性の関係の詳細を明らかにしていく．
一方の擬弾性については，本年度は，固体酸化物型燃料電池用電極材料であるLSCF(La-Sr-Co-Fe-O）を用い，電子顕微鏡内での微視的負荷試験を行い，力学的挙動を測定すると同時に，ドメイン構造変化を観察する手法を確立するとともに，全固体電池用電解質材料であるLa-Li-Nb-Oについて，擬弾性とドメイン構造変化をin-situで捉えることに成功した．このような擬弾性挙動については，これまで主に一軸圧縮で考えてきたが，次年度は，主に曲げ負荷下での挙動を明らかにしていくとともに，擬弾性とイオン挙動の相関についても検討を行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
