2020 Fiscal Year Annual Research Report
Preparation of transparent glass-ceramics from concentrated 3d transition metal system
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19K22046
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
本間 剛 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (70447647)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | ガラス / 相分離 / 結晶化 / ビスマス / ナトリウムイオン電池 / 全固体電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでナトリウムと鉄を高濃度に含有するケイ酸塩ガラスの結晶化で透明な結晶化ガラスが得られることを明らかにし、準安定で光学的に等方的な立方晶系の結晶子が形成することが要因であることを明らかにしている。そこで本手法を他のガラス系に展開し、酸化鉄を添加したビスマス鉄ケイ酸塩ガラスの結晶化について詳しく評価した。酸化ビスマスの含有量が85モル％までのケイ酸塩でガラス化することを確認した。酸化ビスマスの一部を酸化第二鉄で置換すると、さらにガラス化する組成範囲は拡大した。これらのガラスを大気中または水素雰囲気中で熱処理を施して結晶化挙動を評価した。初相として酸化ビスマスの結晶化を確認した。粉末X線回折とリートベルト解析そして、電子顕微鏡観察から酸化ビスマスの粒子サイズは10nm程度と小さいことが分かった。酸化ビスマス以外に析出する結晶相は確認できないことから、酸化鉄とケイ酸はガラス相として残存していることを示唆している。また水素中の熱処理では450℃以上から析出した酸化ビスマスの還元反応が進行し金属への還元を確認した。450℃での熱処理はビスマスの融点よりも高温であるが、リートベルト解析と電子顕微鏡観察からは10nmから50nmと粒成長が抑制されていることが分かった。このことからケイ酸鉄ビスマスガラスにおける酸化ビスマスは相分離しやすく、熱処理によって酸化ビスマスの微結晶として析出する。粒成長抑制の効果は酸化鉄の含有量に依存することが分かった。酸化ビスマスの周囲に残存するケイ酸鉄は熱的に安定なガラス相を形成しており、ビスマスの粒成長を抑制し、金属状態に還元されてもその形態を維持する効果を有することを明らかにした。同結晶化ガラスは全固体ナトリウムイオン電池の負極活物質として有望である。
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