理想界面を用いた高温イオニクスデバイスヘテロ界面構造の解明と高活性電極の創製

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11J01074
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• Principal Investigator: 伊奈 稔哲 公益財団法人高輝度科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員
• Keywords: 高温電気化学デバイス / 電極反応機構解明 / 混合導電性材料

Research Abstract

本年度は、電極/電解質の界面構造を明らかにして、イオン移動現象に寄与する諸性質(空間電荷層、力学的歪み等)の寄与を明確にする。これらを組み合わせて、高温電気デバイスの高性能カソード設計指針を得ることを目指す。
格子間酸素系混合導電性材料に対してさらに、酸化物イオン伝導は酸化物イオン伝導経路上の一番断面積の小さい領域であるボトルネックの大きさにより決定されていることが分かった。表面交換反応係数と酸化物イオン導電率に強い相関が得られたことから、バルクサンプルにおいて表面反応速度を向上させるには、酸化物イオン伝導のボトルネックサイズの変化が有効であることが分かった。
電解質/電極ヘテロ接触界面におけるミスマッチを利用した、力学的な変調によりボトルネックサイズを制御することで、電極特性の向上を狙った。単一配向ナノ薄膜に対するin situ XAFS測定から、力学変調により、易動度とキャリアイオン濃度の制御が可能であることが分かった。さらに、圧縮応力ではなく引っ張り応力を用いることによって、高い活性を示す電極の作製が期待できることが示された。
酸化物のヘテロ接触界面近傍における材料の状態をより詳細に直接観察する分析手法として、電極内部の深さ方向への分解能を有する深さ分解in situ XAFS測定に着目し、単一配向ナノ薄膜の解析に適用した。深さ分解XAFS測定により、基板からの圧縮応力がかかる系では、格子のミスマッチは基板との界面において最も顕著であり、基板から離れるにつれて構造歪が緩和されることが明らかになった。
以上より、格子間酸素系混合導電性電極の電極特性は格子のミスマッチを利用することで制御できることが明らかとなった。ボトルネックサイズを広げる方向に応力がかかるようにすれば高性能電極が得られると予想される。

Research Products

• [Journal Article] Charge compensation mechanisms in Li_<1.16>Ni_<0.15>Co_<0.19>Mn_<0.50>O_2 positive electrode material for Li-ion batteries analyzed by a combination of hard and soft X-ray absorption near edge structure (2013)
  • Author(s): M. Oishi, T. Fujimoto, Y. Takanashi, Y. Orikasa, A. Kawamura, T. Ina, H. Yamashige, D. Takamatsu, K. Sato, H. Murayama, H. Tanida, H. Arai, H. Ishii, C. Yogi, I. Watanabe, T. Ohta, A. Mineshige, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • Journal Title: Journal of Power Sources Volume: 222 Pages: 45-51
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.08.023
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Phase Transformation Mechanism during Cycling of Li_2FeSiO_4 (2012)
  • Author(s): T. N. Masese, H. Arai, Y. Orikasa, T. Ina, C. Tassel, K. Nakanishi, T. Ohta, K. Hiroshi, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • Organizer: PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii
  • Year and Date: 2012-10-08
• [Presentation] Depth-Resolved X-ray Absorption Spectroscopic Study on Nanoscale Observation of the Electrode-Electrolyte Interface for All Solid State Lithium-Ion Batteries (2012)
  • Author(s): T. Ina, T. Okumura, T. Nakatsutsumi, Y. Orikasa, H. Arai, Y. Iriyma, T. Uruga, H. Tanida, Z. Ogumi, Y. Uchimoto
  • Organizer: PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii
  • Year and Date: 2012-10-08