2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ構造情報に基づいた新しい固体イオニクス材料の創出
| Project Area | Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation |
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| Project/Area Number |
25106009
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
菅野 了次 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (90135426)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田村 和久 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究副主幹 (10360405)
平山 雅章 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (30531165)
鈴木 耕太 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (40708492)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 固体イオニクス / ナノ材料 / 結晶構造 / 高圧合成 / 電気化学界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギーデバイスに利用可能な固体イオニクス材料の創出のため、1「ナノ構造情報取得」、2「物性開拓」、3「材料探索指針の構築と新物質創成」を実施した。
1.新規酸化物イオン導電体La-Li-Oを開発し、その導電特性評価と構造解析を行った。この材料はK2NiF4型の結晶構造を有し、構造内に多くの酸素欠損が存在することが明らかになった。詳細な構造解析により酸素欠陥を利用したイオン拡散、さらに格子間酸素位置が関与した導電メカニズムが存在する可能性が示唆された。また、室温から400℃の温度範囲で構造相転移や分解反応は観測されず、デバイス化への展開が可能であることが分かった。
2.様々なイオン導電種が固体内を拡散する、新規イオン導電体を開発した。エネルギー変換デバイスの固体電解質材料として利用が期待できる、リチウムイオン、酸化物イオン導電体に着目した。ペロブスカイト型およびその類縁構造であるパイロクロア型構造を有する新規リチウム導電体を得た。パイロクロア型材料ではリチウム導電体としての報告がほとんどされていないが、(Li,Sr)NbO6Fの系においてリチウム導電特性を観測した。さらに、格子欠陥量を制御することでイオン導電率が一桁向上した。
3. A02班との連携により、イオニクス機能発現の物質構造予測を行うため、第一原理計算用のVASPソフトウェアを導入し、その立ち上げを行った。計算化学を行う研究グループ(A02(エ)班)とのミーティングを重ねた上で、プロトン導電体RbMg1-xH2x(PO3)3・y(H2O)に関する計算を行った。構造内のH2O量によるプロトン拡散機構の変化が計算結果より明らかになり、導電メカニズムの解明、さらなる導電特性向上への指針を得た。
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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
平成26年度に掲げた遂行目標に対して、項目1-3において順調に研究が進捗している。
項目1においては、イオン導電特性を示す新規材料を、リチウム、ヒドリド、酸化物イオン導電体において発見した。得られた材料の結晶構造は、リートベルト解析によって、その平均構造を明らかにすることが出来た。また、そのイオン導電特性についても評価が済んでいる。新規なイオン導電性を有する材料を開発し、その構造情報とイオン導電特性の関連性を明らかにしたことが本項目において最も重要な成果である。そのうち、酸化物イオン導電体についてはデバイス化への展開が期待できる物性を有することまでを明らかにした。材料開発からデバイス化までが見通せる重要な研究成果である。項目2においては、既知の結晶構造を有するパイロクロア型材料において新規なリチウムイオン導電体を開発した。緻密な組成制御と、欠陥導入によりこれまでに観測されなかった物性の付与が可能であることを実証した。平成27年度以降に、さらなる構造、メカニズム解析と計算化学との連携をするべき材料を見出した。項目3については、本年度から具体的な連携が開始され、項目1、2で得られた成果を基に計算化学による解析を進めている。既に十分な成果が得られ始めており、今後の材料開発やナノ構造情報との相関解明に向けて必要不可欠な技法の利用が可能となった。この成果を基に、計算から得られる知見を物質開発にフィードバックする。以上より、本年度の進捗は、当初計画に沿って順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
イオニクス材料の開発、ナノ構造情報の取得を進める。着実に合成手法と構造・物性の相関を調べ、理論グループの予測する物質の構築を加速させる。
項目1：「イオニクス材料のナノ構造情報取得」(a)モデル物質合成：リチウム系で開発した物質群をもとに多元素種のモデル物質へ展開する。高圧法、薄膜作製法の合成条件を最適化させることで、イオン導電現象を示す物質合成の選択肢を広げる。材料の有する構造パラメータを様々に変化させ、イオン導電と相関のある構造情報を解析するのに適したモデル系を開拓する。(b)ナノ構造解析：電子顕微鏡・放射光・中性子を利用した構造解析を進める。大気非暴露での観察条件および手法を確立させる。様々な観察プローブにより得られた情報をとりまとめ、イオニクス材料にとって重要な電気化学反応場での構造変化を明らかにする。
項目2：「イオニクス材料の物性開拓」これまでに得られた薄膜などのモデル化した物質を用いて、ナノ領域におけるイオン導電率、電子伝導率、電気化学反応と構造の相関を詳細に検討する。A02(エ)班との連携を強化し、VASPコードを利用した、計算化学の手法を発展させる。チタン系、シリコン系リチウム電池電極の最表面構造情報を取得することで、イオン吸蔵放出、イオン拡散、電気化学反応に適した構造の構築方法を検討し、共通項の多い触媒反応場における機能向上を目指す。
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[Journal Article] Synthesis, structure and electrochemical properties of novel Li-Co-Mn-O epitaxial thin-film electrode using layer-by-layer deposition process2015
Author(s)
Jaemin Lim, Soyeon Lee, Kota Suzuki, KyungSu Kim, Sangryun Kim, Sou Taminato, Masaaki Hirayama, Yoshifumi Oshima, Kunio Takayanagi, Ryoji Kanno
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Journal Title
Journal of Power Sources
Volume: 279
Pages: 502-509
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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