2021 Fiscal Year Research-status Report
中性子・放射光X線散乱を用いた充放電中の蓄電池の伝導イオンの時空間流れの解明
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20K05061
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
福永 俊晴 京都大学, 複合原子力科学研究所, 名誉教授 (60142072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 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)
中村 秀仁 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (60443074)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 中性子散乱 / X線回折 / 原子構造 / イオン伝導 / 電池材料 / MEM解析 / BVS解析 / 熱分析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、J-PARC/MLFの中性子回折装置SPICAや準弾性散乱装置DNAを活用し、固体電解質の構造を明らかにするとともにイオン伝導経路を明らかにする。さらに、全固体電池の充放電中の構成物質（正極、負極、固体電解質）の原子配列の可視化を目指すとともに、伝導イオン経路の解明とその伝導イオンの動きも直接観察する。その解析過程において、BVSイメージング法を活用し、固体内のイオン伝導経路を可視化し、伝導イオンの流れを明らかにすることを目的としている。 昨年度は、交流インピーダンス装置、熱分析装置、X線回折装置および中性子回折装置SPICAや準弾性散乱装置DNAを利用して、固体電解質のイオン伝導特性、構造相転移および詳細な 結晶構造(室温、高温)の評価を行った。現在、解析中でもあるが、順次結果が出始めている。
前の報告で、Ce0.95Ca0.05F2.95が高い電気伝導度を示すことを明らかにした。その結果に基づき、CeF3を対象とし、Caドープによる電気伝導度及び構造変化について詳細な調査を実施した。Ce1-xCaxF3-xの電気伝導度の温度変化を調べた結果、Caドープ量がx = 0.1付近で最も高い電気伝導度をもつことがわかった。一方，格子定数の変化について調べると単相を維持できる固溶限界はx = 0.7付近であった。Ce0.9Ca0.1F2.9の中性子回折解析によりタイソナイト型構造をもつ主相に加えて、蛍石型構造をベースとする副相が少量含まれていることがわかった。
その他、 (Ba1-xSnx)F2, x = 0.50-0.58を種々の条件で合成した。組成がx=0.54試料で最高伝導度が得られた。現在、中性子回折実験により詳細な構造解析を推し進めている。また、Ba-Sn-F系試料を用いて準弾性散乱実験も実施中である。
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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
コロナ禍の中、中性子散乱実験を行うためのJ-PARC/MLFへの出張を控え、試料送付で、現地の研究者に実験を依頼していた。そのため、中性子散乱研究が特に進んでいるとは思えなかったが、共同研究者がKEKへ移籍したため、今後J-PARC/MLFでの中性子散乱研究が大いに進展すると期待している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、次世代型電池としてのフッ化物系全固体電池の研究を行なっており、その中でもフッ素系固体電解質に着目して、イオン伝導経路の解明を推し進めている。 最近、我々は世界最高のフッ素イオン伝導特性を持つ固体電解質を見出すための系統的な研究を行い、その一端を見いだしたので、その構造ならびにフッ素イオン伝導経路の解明を行なっている。同時に、全固体電池をも製作し、電池特性を調べている。さらに、本研究課題の目的である全固体電池の充放電中のオペランド実験を行い、イオン伝導経路の解明を推し進めている。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため、J-PARC/MLFで中性子散乱実験を行うための出張を押さえ、試料送付など、現地の研究者に実験をお願いしたため、出張費が出費できなかった。本研究の共同研究者がKEKに移籍したため、J-PARC/MLFでの中性子散乱実験がさらに容易となり、予定していた研究計画に沿って、種々の実験(電池特性実験、固体電解質の特性実験、そして中性子回折実験や中性子準弾性散乱実験なども含む)を行っていく予定である。
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Research Products
(6 results)
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[Journal Article] Commissioning of Versatile Compact Neutron Diffractometer (VCND) at the B-3 Beam Port of Kyoto University Research Reactor (KUR)2021
Author(s)
Kazuhiro MORI, Ryo OKUMURA, Hirofumi YOSHINO, Masaya KANAYAMA, Setsuo SATOH, Yojiro OBA, Kenji IWASE, Haruhiro HIRAKA, Masahiro HINO, Tadafumi SANO, Yuji KAWABATA, Takashi KAMIYAMA, Toshiya OTOMO, and Toshiharu FUKUNAGA
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Journal Title
JPS Conf. Proc.
Volume: 33
Pages: 011093
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Electrochemical, Thermal, and Structural Features of BaF2－SnF2 Fluoride-Ion Electrolytes2021
Author(s)
Kazuhiro Mori, Atsushi Mineshige, Takuro Emoto, Maiko Sugiura, Takashi Saito, Kaoru Namba, Toshiya Otomo, Takeshi Abe, and Toshiharu Fukunaga
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Journal Title
J. Phys. Chem. C
Volume: 125
Pages: 12568－12577
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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