ガラス状高分子イオン伝導体のダイナミクス解明と超イオン伝導化

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 20H05298
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 畠山 歓 早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (90822461)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 固体電解質 / 高分子電解質 / 全固体二次電池 / 高分子固体電解質 / 二次電池 / 蓄電材料 / リチウムイオン電池

Outline of Research at the Start

全固体リチウムイオン二次電池といった次世代蓄電池の実現には、高速でイオンを輸送する固体電解質材料の活用が欠かせない。本研究では、機械強度は高いがイオン伝導とは無縁とは思われてきたガラス状の高分子が一部条件(電子アクセプタとの共存下)で高イオン伝導性を示すことに着眼し、その伝導機構を各種分光法等によって詳細に解明することを目的とする。液体やゲルのような柔らかいイオン伝導材料とは対照的な本伝導体群の学術的解明と体系化を通して、イオニクスの新領域としての提案を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

分極性のガラス状高分子とリチウム塩との界面で進行するイオンダイナミクスの学理を明らかにすることを目標に研究を推進した。前年度の成果も踏まえ、(1)有機材料の界面でのイオンダイナミクスの解明と(2)高伝導性を示す構造探索に重点を置いて実験実施と解析に取り組んだ。
(1)メカニズム解明: 学術領域内での共同研究も活用しながら、電解質内でのカチオン・アニオン種の運動性を固体NMR等によって定量した。一連の解析の結果、塩単体では凍結状態にあった分子群の運動性が、分極性のガラス状高分子と相互作用することにより、著しく向上することが明らかになった。NMR、熱分析、X線回折、イオン伝導度解析(Vogel-Fulcher-Tammann model)等の多角的な解析を経て、電解質がアモルファス化することで自由体積が生じ、イオン輸送に資する分子の熱運動性が発現する描像を得ることに成功した。
(2)構造探索: 分極構造を構成する分子群のHighest Occupied Molecular Orbital (HOMO)・Lowest Unoccupied Molecular Orbital(LUMO)準位等の制御により、界面状態やイオン伝導度を制御可能なことを明らかにした。また、電解質のナノ―マイクロスケールの構造がバルク物性を支配する知見も得られ、ボトムアップ型の構造形成の有効性を示すことができた。蓄電デバイスとして適用の検討も進め、全固体リチウム電池の電解質として1平方センチメートルあたり1 mA以上の大電流を発現可能ことを実験化学の立場から例示できた。
一連の成果は査読付き学術誌や国内外の学会で発表した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Exploration of organic superionic glassy conductors by process and materials informatics with lossless graph database (2022)
  • Author(s): Kan Hatakeyama-Sato, Momoka Umeki, Hiroki Adachi, Naoaki Kuwata, Gen Hasegawa, Kenichi Oyaizu
  • Journal Title: chemRxiv Volume: -
  • DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-w1c6h
  • Open Access
• [Journal Article] A PROXYL-type Norbornene Polymer for High-voltage Cathodes in Lithium Batteries (2021)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato, S. Matsumoto, K. Matsuoka, T. Nagatsuka, K. Oyaizu
  • Journal Title: Macromol. Rapid Commun. Volume: 42 Issue: 19 Pages: 2100374-2100374
  • DOI: 10.1002/marc.202100374
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generative Models for Extrapolation Prediction in Materials Informatics (2021)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato, K. Oyaizu
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 6 Issue: 22 Pages: 14566-14574
  • DOI: 10.1021/acsomega.1c01716
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anomalous Potential Shifts of Redox-active Molecules in Highly Concentrated Electrolytes (2021)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato, S. Matsumoto, I. Aida, K. Oyaizu
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 50 Issue: 7 Pages: 1375-1377
  • DOI: 10.1246/cl.210124
  • NAID: 130008065510
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 材料科学における機械学習の利用と課題 (2021)
  • Author(s): 畠山 歓
  • Journal Title: 日本神経回路学会誌 Volume: 28 Pages: 20-47
  • NAID: 130008021512
• [Journal Article] TEMPO‐Substituted Poly(ethylene sulfide) for Solid‐State Electro‐Chemical Charge Storage (2021)
  • Author(s): Hatakeyama‐Sato Kan、Wakamatsu Hisato、Matsumoto Satoshi、Sadakuni Karin、Matsuoka Koji、Nagatsuka Tomomi、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Macromolecular Rapid Communications Volume: 42 Issue: 4 Pages: 2000607-2000607
  • DOI: 10.1002/marc.202000607
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tackling the Challenge of a Huge Materials Science Search Space with Quantum‐Inspired Annealing (2021)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan、Kashikawa Takahiro、Kimura Koichi、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: Advanced Intelligent Systems Volume: 2021 Issue: 4 Pages: 2000209-2000209
  • DOI: 10.1002/aisy.202000209
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Charge-transfer Complexes for Solid-state Li+ conduction (2020)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato; M. Umeki; T. Tezuka; K. Oyaizu
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Matererials Volume: 2 Issue: 7 Pages: 2211-2217
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00393
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metal-free, Solid-state, and Paper-like Rechargeable Batteries Consisting of Redox-active Polyethers (2020)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato; T. Tezuka; R. Ichinoi; S. Matsumono; K. Sadakuni; K. Oyaizu
  • Journal Title: ChemSusChem Volume: 13 Issue: 9 Pages: 2443-2448
  • DOI: 10.1002/cssc.201903175
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrating Multiple Materials Science Projects in a Single Neural Network (2020)
  • Author(s): K. Hatakeyama-Sato; K. Oyaizu
  • Journal Title: Communications Matererials Volume: 1 Issue: 1 Pages: 49-49
  • DOI: 10.1038/s43246-020-00052-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultrafast Charge/Discharge by a 99.9% Conventional Lithium Iron Phosphate Electrode Containing 0.1% Redox-active Fluoflavin Polymer (2020)
  • Author(s): Hatakeyama-Sato Kan、Akahane Tomoki、Go Choitsu、Kaseyama Takahiro、Yoshimoto Takuji、Oyaizu Kenichi
  • Journal Title: ACS Energy Letters Volume: in press Issue: 5 Pages: 1712-1217
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00622
  • Peer Reviewed
• [Presentation] マテリアルズ・インフォマティクスを活用したポリフェニレンエ ーテル系固体電解質の製法・構造・物性の相関解明 (2022)
  • Author(s): 畠山 歓, 梅木 桃花, 足立 裕樹, 小柳津 研一
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Organic Solid-state Ionic conductors Consisting of Charge-transfer Complexes and Lithium Salts (2021)
  • Author(s): Kan Hatakeyama-Sato
  • Organizer: 71st Conference of Japan Society of Coordination Chemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 教師無し機械学習と 量子アニーリング技術を用いた分子設計システム (2021)
  • Author(s): 畠山 歓, 梅木 桃花, 足立 裕樹, 柏川 貴弘, 木村 浩一, 小柳津 研一
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] 高分子の多彩なプロセス・構造・物性情報を一括で処理可能なAI 技術の検討 (2021)
  • Author(s): 畠山 歓
  • Organizer: 日本レオロジー学会 高分子加工技術研究会 第93回例会
  • Invited
• [Presentation] 小規模な実験データベースの機械学習に基づく有機分子の物性の外挿予測モデルの構築 (2021)
  • Author(s): 畠山 歓, 小柳津 研
  • Organizer: 日本化学会第101回春季年会
• [Presentation] グラフニューラルネットワークを用いた 種々の材料物性データベースの同時学習 畠山 歓 (2021)
  • Author(s): 畠山 歓, 小柳津 研
  • Organizer: 2021年応物春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Machine learning-assisted exploration of glassy organic electrolytes for solid-state lithium-ion batteries (2021)
  • Author(s): Kan Hatakeyama-Sato
  • Organizer: 45th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子アニーリングと機械学習に基づく機能性高分子の探索システム (2020)
  • Author(s): 畠山 歓, 梅木 桃花, 小柳津 研一
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Book] マテリアルズインフォマティクスのためのデータ作成とその解析、応用事例 (2021)
  • Author(s): 畠山 歓
  • Total Pages: 11
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861048548