2020 Fiscal Year Annual Research Report
Integrated Studies on Interface Ionics by Advanced Analytical Techniques
| Project Area | Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices |
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| Project/Area Number |
19H05814
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
雨澤 浩史 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90263136)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桑田 直明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主幹研究員 (00396459)
高橋 幸生 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (00415217)
尾原 幸治 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (00625486)
森 茂生 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20251613)
熊谷 明哉 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (50568433)
池田 一貴 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, 特別准教授 (80451615)
山本 和生 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主席研究員 (80466292)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 蓄電固体界面 / 高度計測 / 固体イオニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
蓄電固体界面で観測される特異なイオン輸送、蓄積特性は、界面近傍で局所的に生じる様々な物理化学状態の変調・分布が複雑に絡み合って発現すると考えられているが、その支配因子はほとんど理解されていない。本研究では、様々な最先端計測技術を結集し、蓄電固体界面近傍における各種物理化学状態の変調・分布を多角的に実測し、これらの知見を総合的、網羅的に融合することで、蓄電固体界面の物理化学的状態と特性を体系的に扱うことのできる新しい学理の構築へと繋げることを目的としている。
今年度は、固体電解質LATP上に成膜したLiCoO2薄膜を蓄電固体界面の共通モデルヘテロ界面試料、硫化物系ガラスセラミックス電解質を蓄電固体界面の共通モデルホモ界面試料とし、前年度までに開発された各種高度計測手法を適用し、界面評価を開始した。ヘテロ界面については、X線吸収分光、STEM／電子線ホログラフィー、電気化学プローブ顕微鏡による界面評価をオペランドで実施した。その結果、ヘテロ界面に電圧を印加した際、その大きさ（充放電状態）に応じて、電極だけでなく、電極／固体電解質近傍においても化学状態、電子状態が変調する様子を観察することに成功した。一方、ホモ界面については、X線、中性子線、電子線全散乱計測ならびにその二体分布関数（PDF）解析手法を適用し、それぞれの手法から得られた結果を相補的に検討することで、非晶・結晶が混在する蓄電固体材料の局所構造を明らかにするとともに、そのイオン伝導度との相関について考察した。また、蓄電固体材料への充放電に伴う局所構造変化の解析にも適用可能であることを示した。さらに、タイコグラフィXAFS法の高度化を用いた蓄電固体材料中の名の構造、化学状態の多次元評価、TOF-SIMSとトレーサー拡散測定の併用による蓄電固体界面における反応交換速度の評価にも成功した。
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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
蓄電固体界面の高度計測を担当する本研究では、本年度、前年度までに参画研究者等によって蓄電固体界面評価のために高度化された各種計測技術を用い、蓄電固体界面においてイオン輸送・蓄積特性に特に大きく影響を及ぼすと考えられる化学因子、電気・電気化学因子、構造因子など、蓄電固体界面における物理化学因子の実測を開始することを目標に掲げていた。蓄電固体界面の実測に関しては、特に、複数の高度計測技術（X線吸収分光XAFS、STEM／電子線ホログラフィー、電気化学プローブ顕微鏡、X線・中性子線・電子線全散乱、タイコグラフィXAFS、TOF-SIMSなど）を、個々の対象に対する計測に留めず、本新学術領域内で選定されたいくつかのモデル界面（共通試料）の局所状態評価に統合利用することで、結果の多角的な検討、クロスチェックを実施した。一部，前年度まで手法を確立しきれなかった計測もあったが，これらについても新たな対策を施し、高度化を完了した。また、いくつかの手法については、特にオペランド計測を念頭に、今年度にさらなる高度化を図った。一方、今年度から新たに公募研究として加わったグループと連携することで、計画研究だけでは明らかにすることが困難と考えられた物理化学因子の評価が可能な耐性を整えた。以上の結果、モデル界面（共通試料）としてA01班（界面構築），A04班（機能開拓）で作製された、共通モデルヘテロ界面試料（固体電解質LATP上に成膜したLiCoO2薄膜を蓄電固体界面），共通モデルホモ界面試料（硫化物系ガラスセラミックス電解質）を対象に、各種物理化学因子の局所状態の多角的評価に成功した。また、計測によって明らかにされた物理化学因子の局所状態と蓄電固体界面におけるイオン輸送、反応活性との相関についての考察を開始した。
以上から，本研究は当初の予定通り，おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究において、採用している各種計測技術（X線吸収分光XAFS，STEM／電子線ホログラフィー、電気化学プローブ顕微鏡、X線・中性子線・電子線全散乱、タイコグラフィXAFS、TOF-SIMSなど）を統合利用することで、蓄電固体界面における化学因子、電気・電気化学因子、構造因子等、各種物理化学因子の多角的な検討が可能となった。現在、モデルヘテロ界面試料（固体電解質LATP上に成膜したLiCoO2薄膜），モデルホモ界面試料（硫化物系ガラスセラミックス電解質）を主たる対象として計測を進めているが、今後も、これらモデル界面の様々な条件下（例えば、充放電反応進行時など）における計測を継続して実施することで、蓄電固体界面で観測される特異なイオン輸送、蓄積特性との相関を検討する予定である。特に、多くの計測手法では、イオン輸送、反応が進行している状態下の蓄電固体界面の評価も可能となっており、これを有効に活用していく。さらに、計測を通して得られる蓄電固体界面の物理化学因子の局所状態をA03班（計算・データ科学）と情報共有し、蓄電固体界面の理論構築のための理論計算を開始する。
一方、これまでの研究により、計画研究で採用している現状の計測手法だけでは評価が困難な物理化学因子があることも課題として浮上してきた。一部については、現状の計測技術およびその解析手法をさらに高度化することにより、これを改善・解決する。合わせて、今年度から加わった公募研究のグループとの連携を開始しており、これらによる補完的な計測を行うことで、その改善・解決を加速させる予定である。
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