2021 Fiscal Year Annual Research Report
オペランド中性子散乱による全固体蓄電池のバルク・固-固界面イオン流れの可視化
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19H02457
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
森 一広 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, 教授 (40362412)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩瀬 謙二 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (00524159)
大場 洋次郎 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究副主幹 (60566793)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 蓄電池 / イオン伝導体 / 中性子 / 構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、大強度陽子加速器施設 物質・生命科学実験施設（J-PARC MLF、茨城県東海村）で稼働している最新パルス中性子回折装置SPICA（スピカ）を含む世界トップクラスの中性子散乱（回折）装置群と最新鋭オペランド実験機器を活用し、電池性能をフルに引き出すための“伝導イオンが高速で移動できるバルクおよび固―固界面構造”を明らかにする。そのため、全固体蓄電池に対して、オペランド中性子散乱（回折）実験を行い、充放電中のバルクおよび固―固界面構造を精密に可視化し、伝導イオンの動きも直接観察する。さらに、得られた構造情報と最大エントロピー法（MEM）やBond Valence Sum（BVS）イメージング法を駆使することで、充放電中の変化を伴うバルク内のイオン伝導経路、さらには固―固界面内のイオン伝導経路についても可視化する。
令和３年度は、SPICAを利用して全固体フッ化物イオン電池の固体電解質の構造評価およびMEMによるフッ化物イオン伝導経路の可視化を行なった。またオペランド中性子回折実験用のオペランドセルの改良を行い、全固体フッ化物イオン電池によるオペランド中性子回折実験を実施した。また昨年度に引き続き、J-PARC MLFの中性子準弾性散乱装置DNAおよび作製した電場印加スティックを用いて、フッ化物固体電解質の中性子準弾性散乱スペクトルの測定を行い解析を進めた。さらに、固―固界面内のイオン伝導経路可視化を目指して、フッ化物薄膜試料の作製およびX線表面回折の予備試験を開始した。
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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
昨年度に引き続き、J-PARC MLFで稼働している最新パルス中性子回折装置SPICA（スピカ）を含む世界トップクラスの中性子散乱（回折）装置群を利用し、蓄電池材料および全固体蓄電池を用いたオペランド中性子回折実験および中性子準弾性散乱実験等を継続している。得られた散乱（回折）データを用いてリートベルト法（結晶構造解析）やリバースモンテカルロ（RMC）モデリング（非晶質構造解析）による原子配列（構造）の決定も行われている。加えて、最大エントロピー法（MEM）やBond Valence Sum（BVS）イメージング法による蓄電池材料中のイオン伝導経路可視化についても順調に進んでいる。さらに、中性子準弾性散乱によって得られたスペクトルからフッ化物イオンの拡散挙動解析も進められている。オペランド中性子回折実験用のオペランドセルについては、京都大学研究用原子炉（KUR）の多目的小型中性子回折計（VCND）を用いて実施した評価試験の結果を参考に本セルの改良を行った。なお本研究により得られた実験結果等については、定期的に学会等で発表を行なっている。以上のような理由から、本研究課題はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下、今後の研究の推進方策について示す。
（１）全固体蓄電池の特性評価：全固体蓄電池の構築と電池特性の評価を進める。昨年度同様、固体電解質はCe0.95Sr0.05F2. 95やBaSnF4、正極活物質ではBiF3、CuF2、Ag金属箔、負極活物質ではCe、Mg、Pb金属箔を中心に選択する。中性子オペランド実験を行う前に、電池部材の構造・ダイナミクス評価（X線回折、X線小角散乱、レーザーラマン分光、等）に加えて、充放電特性やサイクリック ボルタンメトリー（CV）、交流インピーダンス測定等の特性評価を行う。なお、新規電池材料が見つかった場合には、随時使用する。
（２）オペランド中性子回折・散乱実験：J-PARC MLF施設の最新パルス中性子回折装置（BL09 SPICA）および中性子準弾性散乱装置（BL02 DNA）を利用して、中性子オペランド実験（もしくは電場印加実験）を行う。また界面構造の変化について調べるため、X線小角散乱実験や中性子小角散乱実験を行う。
（３）構造およびイオン伝導経路の可視化：充放電中の固体電解質および正・負極活物質の構造変化、イオン伝導経路を可視化するため、MEM解析やBVSイメージングを相補的に利用する。MEM解析やBVSイメージングに必要な構造情報を得るため、結晶系ではリートベルト法、乱れた系では二体分布関数（PDF）法やリバースモンテカルロ（RMC）モデリングを活用する。
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Research Products
(2 results)
