2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of high-capacity cathodes for rechargeable batteries by controlling microstructure of oxides
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21H01646
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
河口 智也 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00768103)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
市坪 哲 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (40324826)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 二次電池 / ハイエントロピー酸化物 / 酸化物正極材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，リチウムイオン電池などに用いられる酸化物電極材料に対して，多数の元素を固溶した際に現れるハイエントロピー効果が，微細組織形成・電極性能に与える影響とその機構を調査することを目的とする．また本研究を通じて，多元素混合時の微細組織形成挙動，微細組織により誘起される弾性歪，弾性歪の存在下における多元素の電荷補償反応と電子状態などを実験的・計算的に明らかにしつつ，それらを記述する学理構築を目指す．
2年目に当たる2022年度は，上記の検証に適した系と考えられる材料として，元来多価イオンであるMgイオンの可逆的な挿入脱離が困難であると考えられていた岩塩型構造を有する酸化物材料を見出し，その物質の詳細な検討を実施した．電気化学特性，充放電特性の評価を様々な条件を行うことで，現状利用可能な蓄電池構成材や環境の中で，材料の特性を最も引き出せる条件を見出した．また，様々な充放電状態の試料に対して，精密な結晶構造解析，電子構造解析，化学分析を実施することで， Mgイオンの挿入脱離が可逆的に行われていることを実証するとともに，その脱挿入には構造中にカチオン空孔を十分量生成し，そのような空孔がMg挿入後にも消滅しないような材料設計が必要であることを明らかにした．
これらの実験結果をもとに，Mg挿入脱離を実現するハイエントロピー酸化物の設計指針を得るために，Mg移動時のエネルギー障壁に対するカチオン空孔の影響を第一原理計算で評価するとともに，Mgが低いエネルギー障壁を有する経路のみを通るような拡散が実現するための組成領域を，パーコレーション理論に基づき検討した．
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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
研究実績の概要で述べた通り，本年度では新たに見出した岩塩型構造を有するハイエントロピー正極材料の実験的評価，並びに動作機構解明を実験・理論計算の両面から実施しており，新たな材料設計指針が得られつつあり，研究の進捗としては順調である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今回得られたハイエントロピー酸化物正極材料を詳細に解析することで，材料の設計指針の緒が得られた．そこで今後は，この設計指針に従い，さらに高性能な正極材料を見出すべく組成の検討や解析を継続するとともに，ハイエントロピー化の効果がどのような物性において顕在化するのかを明らかにする．
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[Presentation] Reaction-driven restructuring of Pt-Rh nanoparticles: Bragg coherent diffraction imaging (BCDI) during gas-surface reactions2023
Author(s)
Tomoya Kawaguchi, Thomas F. Keller, Henning Runge, Luca Gelisio, Christoph Seitz, Young Y. Kim, Wonsuk Cha, Stephan O. Hruszkewycz, Ross Harder, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle and Hoydoo You
Organizer
APS March Meeting 2023
Int'l Joint Research
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