2020 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of the redox potentials for rechargeable-battery electrode materials by direct observations of valence and conduction bands
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19K05414
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
朝倉 大輔 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80435619)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 電極材料 / 電子状態 / X線分光 / 酸化還元電位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、放射光X線分光等の高エネルギー分光を駆使して、リチウムイオン電池（LIB）等の二次電池電極材料の電子状態と充放電電位・電極性能との相関の解明に取り組んでいる。従来電極材料への適用事例が極めて少ない軟X線発光分光や共鳴光電子分光（RPES）などを積極的に用いて、電極材料の価電子帯、および伝導帯を元素選択的・電子軌道選択的に明らかにする点が本研究の特色である。価電子帯の上端と伝導帯の下端のエネルギー位置は酸化還元電位に直接関係しており、様々な電極材料についてそのエネルギー位置を系統的に調べることで、例えば新規な高電位正極材料の開発に資する知見が得られると期待される。
2020年度においては、負極材料のLi4Ti5O12（LTO）とリン酸系材料のLiTi2(PO4)3（LTP）の軟X線吸収分光（XAS）とRPESの結果について、多重項計算などを用いた解析を行って、電子構造と酸化還元電位との関係性を明らかにした。電気化学的な情報と一致する結果を得ることができた。同様に、Fe系の材料における電位と電子構造の関係性についても検討を進めており、酸化物とリン酸塩でTi系と同じような傾向が見られることを突き止めた。LIBと類似の充放電反応を示すナトリウムイオン電池の電極材料系の電子状態解析からも、一貫した結論が得られつつある。
以上のように、複数の電極材料に対する電子構造の詳しい知見を得ることに成功した。2021年度も、他の電極材料の実験・解析を積み重ねていき、系統的な知見を得ることを目指す。
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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
コロナ禍の影響は大きく、放射光実験のための出張機会が減ったが、前年度までのデータ整理やスペクトル計算などを進めて、当初の計画に沿って概ね順調に経過している。電子状態の議論など協力研究者からの各種サポートもいただいている。また、他の電極材料にも展開すべく複数の研究者との連携をスタートさせて、2021年度にTi系と同種の手法で電子状態解析を行える見通しとなっている。
以上のように、電気化学的な知見とも対応する結果が得られつつあるが、電気化学、固体物理の両分野の研究者に広くわかりやすく説明できるようなスキームを構築することが課題となっている。論文化への取り組みは順調に進捗しており、可能な範囲でプレス発表等のアクションも行っていきたいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ti系材料の結果については、電気化学と固体物理をつなぐ明確なモデルを構築するとともに論文化を進めていく。また、同様の手法を、他の電極材料にも展開していく予定である。特に、共鳴光電子分光（RPES）は、適用可能な対象が充放電を行う前の初期状態の試料に限られるものの、フェルミ準位近傍の価電子帯を元素選択的に観測することが可能であり、電気化学分野に与えるインパクトは大きい。連携研究者と、第一原理計算による部分状態密度の検討なども進めていく。伝導帯側の情報を得るXASと相補的に用いることで、酸化還元電位の議論が可能なことが確認できたので、論文化や学会発表を通して広く普及するように努める。価電子帯側の軟X線発光分光（XES）については、SPring-8の東京大学ビームラインでの実施を検討している。
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| Causes of Carryover |
2020年度はコロナ禍の影響が大きく、部分的に協力研究者による依頼測定をお願いできたこともあり、旅費（特に海外渡航）を中心に当初の予定よりも執行額が少なくなった。2021年度においては、引き続きコロナ禍の影響があるが、産業技術総合研究所近隣の高エネルギー加速器研究機構を中心に多くの実験を計画している。また、大気非曝露測定に向けた新しい試料搬送機構やオペランド測定用セルの整備を予定しており、さらに計算化学的な解析についても共同研究者との連携や市販ソフトの導入など、充実させていく計画を立てている。当初の2021年度分に加えてこれまでの残額を充当させていただき、より高度な実験と解析を遂行できるように進めていきたい。
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