| Project/Area Number |
23K26413
|
|---|
| Project/Area Number (Other) |
23H01720 (2023)
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
|
|---|
| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
|---|
Principal Investigator |
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)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩瀬 謙二 茨城大学, 応用理工学野, 教授 (00524159)
梅垣 いづみ 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, 助教 (20638522)
大場 洋次郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60566793)
本田 孝志 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, 助教 (70735745)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
|
| Budget Amount *help |
¥19,240,000 (Direct Cost: ¥14,800,000、Indirect Cost: ¥4,440,000)
Fiscal Year 2026: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
|
|---|
| Keywords | 蓄電池 / 構造 / イオン拡散 / 中性子 / ミュオン |
|---|
| Outline of Research at the Start |
本研究では、充放電下(オペランド)で全固体蓄電池の中性子散乱(回折)実験及びミュオンスピン回転緩和実験を行うことで、協奏的量子ビ ーム利用の切り口から電池性能をフルに引き出すための“伝導イオンが高速で移動できるバルク及び固-固界面構造”を突き止める。本研究の目的を達成するため、J-PARC MLF施設の最新鋭中性子散乱(回折)装置群及びミュオン分光器群を駆使すると共に、最新の構造・イオン伝導経路可視化技術と融合することで、充放電中のバルク構造(原子配列)と固-固界面構造、イオン伝導経路を可視化し、さらには伝導イオンの拡散挙動までも直接観察する。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、充放電下（オペランド）で全固体蓄電池の中性子散乱（回折）実験およびミュオンスピン回転緩和実験を行うことで、協奏的量子ビーム利用の切り口から電池性能をフルに引き出すための“伝導イオンが高速で移動できるバルクおよび固-固界面構造”を明らかにする。本研究の目的を達成するため、J-PARC MLF施設の最新鋭中性子散乱（回折）装置群およびミュオン分光器群を駆使すると共に、最新の構造・イオン伝導経路可視化技術と融合することで、充放電中のバルク構造（原子配列）と固ー固界面構造、イオン伝導経路を可視化し、さらには伝導イオンの拡散挙動も直接観察する。
2024年度は、全固体フッ化物イオン電池の固体電解質の有力候補であるCaF2-BaF2系固体電解質に対してJ-PARC MLF施設の特殊環境中性子回折装置SPICA（BL09）による中性子回折実験を実施し、本系の構造およびイオン拡散経路の可視化に成功した。その結果、同じ価数であるが有効イオン半径が大きく異なる陽イオンを原子レベルで混合させることでフッ素の原子配列の乱れを誘発し、これによりイオン伝導率が向上することを明らかにした。本成果については学術論文として発表し、プレスリリースおよび学会発表を行なった。また、全固体フッ化物イオン電池を対象としたオペランド中性子回折実験用セルの改良を引き続き進め、オペランド中性子回折実験を実施した。一方、固体電解質中のイオン拡散をミュオンスピン回転緩和により評価するため、高いイオン伝導率をもつLaF3系固体電解質を作製し、ミュオンスピン回転緩和実験を開始した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究により、J-PARC MLF施設の特殊環境中性子回折装置SPICA（BL09）を利用し、最新の構造・イオン伝導経路可視化技術を導入することで、全固体フッ化物イオン電池用CaF2-BaF2系固体電解質の構造およびイオン拡散経路の可視化に成功した。本研究成果により、同じ価数であるが有効イオン半径が大きく異なる陽イオンを原子レベルで混合させることでフッ素の原子配列の乱れが誘発し、これが伝導イオンを高速で移動させるための１つの構造学的要因であることを示すことができた。また、本研究成果を学術論文として発表し、プレスリリースおよび学会発表を行うことで、成果公開に繋げることができた。
オペランド中性子回折実験用セルの改良も継続して推進している。SPICAによる全固体フッ化物イオン電池のオペランド中性子回折実験を実施し、フッ化・脱フッ化反応による活物質の構造変化を観測することが出来始めている。加えて、LaF3系固体電解質を使用したミュオンスピン回転緩和実験も実施しており、現在イオン拡散に関する解析が進められている。
特性評価（充放電特性やサイクリックボルタンメトリー（CV）、交流インピーダンス測定など）を行うための実験環境の整備も進めており、新規固体電解質の探索や全固体蓄電池の製作を引き続き実施している。
以上のような理由から、本研究課題はおおむね順調に進展している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
以下、2025年度以降の研究の推進方策について示す。
（１）全固体蓄電池の構築と電池特性の評価： KEKと茨城大の機器類を用いてオペランド実験用全固体フッ化物イオン電池およびリチウムイオン電池の構築を引き続き行う。全固体フッ化物イオン電池では、正極活物質としてAgやCuなど、固体電解質としてCa0.5Ba0.5F2、Ce0.95Sr0.05F2.95など、負極活物質としてCeF3やLaF3などを候補とする。一方、全固体リチウムイオン電池では、正極活物質としてLi(Co,Ni,Mn)O2やLiFePO4など、固体電解質としてLi10GeP2S12やLi7P3S11など、負極活物質として Li4Ti5O12やLi金属などを候補とする。一方、オペランド実験を行う前に充放電特性やサイクリックボルタンメトリー (CV)、交流インピーダンス測定等を行う。なお、新規電池材料が見つかった場合には、随時採用する。
（２）中性子/ミュオンオペランドセルの設計： J-PARC MLF施設の中性子回折装置SPICA、ミュオン分光器Muon S1などで利用可能なオペランドセルの設計・製作を引き続き行う。
（３）オペランド中性子回折実験： SPICAなどを用いてオペランド中性子回折実験を行う。また必要に応じてオペランド実験用機器開発を行う。固体電解質及び電極活物質の構造変化、イオン伝導経路を可視化するため、結晶系ではリートベルト法や最大エントロピー法（MEM）など、乱れた系では逆モンテカルロ（RMC）モデリングやBond Valenceイメージングなどを活用する。
（４）ミュオンスピン緩和実験： Muon S1などを利用し、Li4Ti5O12やCe0.95Sr0.05F2.95固体電解質などを対象にミュオンスピン緩和実験を行う。
|
