2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of solid state ionics materials based on nanoscale structures
| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
19H05793
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
平山 雅章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (30531165)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 大輔 三重大学, 工学研究科, 准教授 (00432021)
鈴木 耕太 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40708492)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | イオン導電体 / 電気化学界面 / 全固体電池 / リチウムイオン電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，機能コアの開発による高機能固体イオニクス材料の創出を目的とし，【1】粒界・界面の合成および評価手法構築，【2】機能コアによるイオニクス材料の機能開拓，【3】高機能固体イオニクス材料の設計手法開発，を進めている．【1】薄膜モデル系で構築した全固体リチウム電池正極/固体電解質界面について，operando硬X線光電子分光で電子状態のその場観測に成功し，リチウム脱挿入時の電荷補償を遷移金属カチオンおよび酸素アニオンが共に担うことで，多くのLiが脱挿入することを実証した．実用多結晶系においても，表面・界面や空隙を制御し，分光法・顕微鏡法で構造を実測する手法を構築できた．その成果として，充放電時における界面導電性の低下を機械的および化学的な要因に分離して解析できた．【2】材料粒界・界面の制御で新しい高機能イオニクス材料を創出できることを明らかにした．具体的には，大気安定性に課題がある硫化物電解質についてLi9+δP3+δ’S12－kOkを見いだし，結晶性を高めることで安定性を向上できた現在公募班と連携し，透過型電子顕微鏡による局所構造観察から詳細解析を進めている．【3】イオニクス材料開発の高効率化するために，理論計算・情報科学の導入を推進している．高イオン導電体Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3について，A01(イ)班と連携した理論計算からCl導入によるLi空孔形成エネルギーの減少が高速Li拡散に重要であることをみいだした．得られた成果を情報科学に取り込んだ新物質探索へと展開を進めている．
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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
本計画班では機能コアの概念をエネルギー変換・貯蔵を担う固体イオニクス材料に導入し，高機能材料を創出する役割を担い，以下の3項目の達成を目指している.【1】粒界・界面の合成および評価手法構築，【2】機能コアによるイオニクス材料の機能開拓，【3】高機能固体イオニクス材料の設計手法開発．前年度は新型コロナウィルスによる外部出張制約などにより，放射光実験，中性子実験などの高度解析から十分な構造情報を得ることができなかったため，今年度は構造解析に注力した．「研究実績の概要」のとおり，粒界・界面構造の制御と実測を可能とし，イオン導電性や全固体電池充放電特性を向上できることを実証できた．「研究実績の概要」のとおり，粒界・界面構造の実測を可能とし，イオン導電性や全固体電池反応との対応を明らかにし，特性向上できることを実証できた．さらに計算科学，電子顕微鏡観察において領域内連携を開始し，詳細な現象解析を進めることができている．以上より，当初計画どおりでおおむね順調に進展していると判断した.
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度までに構築したイオニクス材料の組成，結晶構造および微細構造を制御する合成技術，構造解析手法を活用して，様々な固体イオニクス材料を継続的に生み出すことが最大のミッションとして推し進める．特に，薄膜モデル系での現象解析の成果，多結晶系におけるナノ構造解析手法開拓の成果を基に，薄膜モデル系と多結晶系における対応をイオン導電性や電気化学反応性，機械特性の観点から理解し，多結晶系における機能コア開発を推し進める．さらに，材料開発の効率化を見据えて，計算科学的手法を活用したデータ解析および探索手法を模索していく．
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Research Products
(24 results)
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[Journal Article] Li10GeP2S12-Type Structured Solid Solution Phases in the Li9+δP3+δ′S12-kOk System: Controlling Crystallinity by Synthesis to Improve the Air Stability2022
Author(s)
Miao Xu, Subin Song, Shugo DaikuharaShugo Daikuhara, Naoki Matsui, Satoshi Hori, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Shinya Shiotani, Shinji Nakanishi, Masao Yonemura, Takashi Saito, Takashi Kamiyama, and Ryoji Kanno
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Journal Title
Inorg. Chem.
Volume: 61
Pages: 52-61
DOI
Peer Reviewed
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