2022 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

Research Project

Project/Area Number	19H02457
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
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)
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)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	蓄電池 / イオン伝導体 / 中性子 / 構造
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、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）で稼働している世界トップクラスの中性子回折（散乱）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ことである。そのため、オペランド中性子回折（散乱）実験により、充放電中（もしくは電場印加中）のバルクおよび固―固界面構造の可視化や伝導イオンの動きの直接観察に取り組む。さらに、得られた構造情報と最新のイメージング技術を駆使することで、バルク内や固―固界面内のイオン伝導経路についても可視化を試みる。令和4年度は、J-PARC MLFの超高分解能粉末中性子回折装置SuperHRPDを利用して全固体フッ化物イオン電池のCeF3系固体電解質の特性および構造評価を行なった。特にイオン伝導度が高い(CeF3)0.9(CaF2)0.1においては、主相Ce0.92Ca0.08F2.92に加えて、副相が少量含まれていることを明らかにした。この微量な副相の出現は、主相のバルク構造や表面・界面に影響を及ぼすと共に、イオン伝導度の向上にも寄与していると示唆される。一方、J-PARC MLFの中性子準弾性散乱装置DNAで測定したフッ化物固体電解質の中性子準弾性散乱スペクトルに対して、昨年度に引き続き解析を実施した。その結果、フッ化物イオンの動きに関連するシグナルを捉えることができた。現在、フッ化物イオンの早い動きと比較的遅い動きが本シグナル内に混在していると考えている。これらの情報は、蓄電池材料開発の重要な指針になると期待される。
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。