2022 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 / 電気化学界面制御 / 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，in situ 中性子反射率測定により界面リチウム濃度分布のその場観測に成功し，電池動作初期過程の電解質側界面でリチウム濃度の低い界面層が形成されることを実証した．初期界面構造で動作時界面層構造が変化し、インターカレーション速度を決定づけている可能性を示した。バルク型電池についても，operand エネルギー分散型X線分光法（SEM）によるナトリウム濃度変化の観測に成功し，複合電極設計に有用な電池動作時の反応分布解析を可能とした．【2】耐水性に課題のあるLi10GeP2S12電解質にAl2O3を導入すると，Li10GeP2S12構造内へのわずかな酸素およびAl2O3の水分吸着により，大気曝露後の充放電安定性が向上することを見いだした．さらにLi10GeP2S12型L-P-SにわずかにBrやIを導入させることで，リチウム導電性を大きく向上できた．【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．Li10GeP2S12型電解質のアニオン微量置換効果については， 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手法に基づくイオン導電率予測に取り込みこむことで，新物質探索への展開を図った．
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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
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．本年度までに当初計画した粒界・界面の合成および評価手法の構築を完了し，イオン導電性および充放電特性との関連を実験的に実証した．機能開拓の観点からは，結晶内の局所構造，粒界・界面構造の合成により，イオン導電性向上のみならず，耐水性や機械特性の制御を可能とし，イオニクス材料開発手法としての有用性を実証できた．さらに計算科学，電子顕微鏡観察から，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 |
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開発の有用性を実証する．
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