Elucidation of the spatiotemporal flow of conductive ions in storage batteries during charging and discharging using neutron and synchrotron X-ray scattering

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05061
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26010:Metallic material properties-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Fukunaga Toshiharu 京都大学, 複合原子力科学研究所, 名誉教授 (60142072)
• 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, 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)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 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 / RMC解析 / 熱分析

Outline of Final Research Achievements

Using the neutron scattering instruments at J-PARC/MLF, we aimed to visualize the atomic arrangement of the cathode, anode, and solid electrolyte during charging and discharging of all-solid-state batteries, as well as to elucidate the conduction ion pathways at the atomic level and directly observe the movement of the conduction ions. The results of the research are as follows: The fluorine ion conduction pathways in the solid electrolytes of BaF2-SnF2 and CaF2-BaF2 fluorides, which exhibit particularly high ionic conduction properties, were elucidated at the atomic level by MEM and RMC analysis of the crystal structures obtained from neutron diffraction.

Free Research Field

材料物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

次世代型蓄電池の研究の一環として、フッ化物系全固体電池の研究は社会的意義が大きい。特に、全固体電池に欠かせない固体電解質中のイオン伝導の知識は、新しい固体電解質を見出すための重要な情報であると考えている。高いイオン伝導特性を有する固体電解質の原子構造を解明し、その原子構造内をイオンがどのような経路で移動するかを解明することができれば、さらにイオン伝導特性を持つ固体電解質を開発する糸口が見出せると考えている。それ故、本研究の成果である原子レベルのイオン伝導経路の解明は学術的な意義ばかりでなく、革新的電池開発に向けた社会的意義が大きいものと考える。