2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of New Solid State Ionics Materials through Design of Functional Interface
| Project Area | Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices |
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| Project/Area Number |
19H05816
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
藪内 直明 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (80529488)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 晃敏 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (10364027)
大久保 將史 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20453673)
菅 大介 京都大学, 化学研究所, 准教授 (40378881)
喜多條 鮎子 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (50446861)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 蓄電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に引き続き、本年度は蓄電固体界面材料の研究を通して、各種の電極材料・電解質の固体界面構造の制御手法を確立し、蓄電固体材料における各種の界面構造の役割の解明、また、得られた知見に基づきさらに高度に制御した電極・電解質材料の複合化も進めてきた。また、低対称性構造であり、さらに、高ナノ界面濃度を有する材料を対象にも加え蓄電固体界面の新機能の発現を実現することを目的として研究活動を行った。
本年度は昨年度までの検討をもとにさらに、A04班内における研究者の相互理解と研究協力体制の構築を進めただけでなく、連携機関として LIBTEC との連携を進めた。具体的な研究成果として、これまでに見つかっていた、体積変化を抑制するナノ構造を制御したバナジウム系材料について LIBTEC と連携することで全固体電池用電極材料としての評価を行った。さらに、ナトリウムイオンを超高速輸送する固体電解質の開発に加え、アニオンレドックスを利用した鉄系硫化物材料開発、さらに、アニオンレドックスの可逆性に影響する酸素二量体形成と電位ヒステリシスの相関関係の発見など、蓄電固体界面材料の進化に繋がる成果が引き続き得られている。また、公募班においても新しいメンバーも加わり、新しい原理に基づいた有機系イオン伝導体の材料や、塩化物系固体電解質材料開発やその応用、水素インサーションによる磁性を制御するといった新しい多くの研究成果が得られており、今後、他グループとの共同研究がさらに進展することで、これまでは原理の理解が不十分であった各種の蓄電固体材料に関して、より詳細な学術的な解明につながることが期待できる。これらの成果は蓄電材料のさらなる進展と高機能化だけではなく、今後、各種の新しい蓄電固体デバイスの創製の実現に繋がることが期待できるため、引き続き研究を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
蓄電固体材料は構造中の遷移金属イオンが酸化・還元し、その電荷補償の結果、構造中のイオンの濃度を任意に変化させることができる。一般に、固体中に高次元のイオン (+電子・ホール) 拡散経路を有し、固体中の界面 (粒界) 濃度が低い物質において、優れたイオン輸送特性が得られるとされていた。これまで、優れた学術成果を残すことに成功しており、高インパクトファクターの学術論文誌において論文の公表、及び、プレスリリースを行ってきた。このような、異なる界面構造を有する様々な固体材料において、イオン・電子輸送特性が全く異なるという現象論的な事実は、固体中の界面構造の重要性を明確に示すものであり、従来の想定以上に新しい研究成果が得られている。また、特筆すべき背化としてこのような一連の材料において無体積変化の材料の開発にも成功しており、LIBTECと連携することで低拘束圧・長寿命の実用的な全固体電池の実現が可能であることを明らかにしている。今後、さらなる学術的な理論の確立を目指し、A02とA03班、また LIBTECとも連携しながら詳細な研究をグループとして一丸となって進めていく。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで、界面濃度が非常に高い準安定相材料を研究の対象の一つとしており、多くの成果を残してきた。これら準安定相ではポスト焼結プロセス（メカニカルミリング後の熱処理）における焼成温度と焼成時間などの条件制御により、核生成頻度と核成長速度を速度論的に制御し、通常の合成では得ることができない特異的なナノ界面構造を有する酸化物を合成することが可能であり、このような手法により界面濃度の制御することで様々な材料を合成してきた。また、本年度は準安定相材料の合成を基盤として、さらに、メカニカルミリング以外の手法の探索も進めた。次年度はこれらの考えをさらに発展させ、材料の欠陥構造の制御により蓄電材料の特性向上、準安定相材料を簡便な手法で直接合成可能とする方法論の確立などを進める。これまで、高界面濃度の材料で無体積変化材料という新しい発見があったため、無体積変化の起源についても詳細な検討と固体電解質と組み合わせた安定界面における優れた電子・イオン輸送特性の発現を狙う。また、A04班では電極材料、電解質材料を含めて研究対象としているが、負極材料としても低体積変化材料の探索を進める。これらの高度界面制御技術を進化させることにより、低拘束圧・長寿命の実用的な全固体電池の可能性を検討する。今後、得られた知見をさらに、従来の材料との比較を通して、蓄電材料において重要な因子解明だけではなく、新材料創製と実用的全固体電池実現に繋がることも期待できる。
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