2011 Fiscal Year Annual Research Report
次世代蓄電デバイス開発にむけての基礎研究-全固体蓄電デバイスの開発
Project/Area Number |
22245035
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Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
Principal Investigator |
菅野 了次 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (90135426)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 雅章 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 講師 (30531165)
武田 保雄 三重大学, 理工学研究科, 教授 (60093051)
米村 雅雄 高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特任准教授 (60400602)
田村 和久 独立行政法人日本原子力開発機構, 量子ビーム応用開発部門, 研究員 (10360405)
園山 範之 名古屋工業大学, 工学系研, 准教授 (50272696)
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Keywords | 固体イオニクス / 全固体電池 / 薄膜電池 / 電気化学界面 / 固体電解質 / 表面 / 放射光・中性子 |
Research Abstract |
優れた出力特性と安定性を実現する全固体蓄電デバイスの実現の鍵は,固体電極と固体電解質の界面でのイオン拡散現象解明にある.本年度に実施した課題とその成果は以下のとおりである.(a)多重層構造制御による新物質開拓:LiMn_2O_4正極,LiFePO_4正極,Li_4Ti_5O_<12>負極について,モデル薄膜電極を作製した.膜厚を10-100nmに制御した際に,膜厚が小さいほど高容量を発現する現象を見出した.表面構造解析から,ナノ化により出現する電気化学現象は,電極界面から数10nmの領域が電極内部とは異なる構造,異なる電気化学反応性を有するためであることを明らかにした.そこで,電極界面から数10nmの領域の構造を,固体固体界面形成により制御し,電池特性の改善を試みた.界面形成による安定性,容量の向上が確認され,界面構造制御が電池材料開発の鍵であることを見出した.(b)新規な電極物質の探索:主に3から5万気圧下、1000-2000℃での反応が可能になる超高圧法を用いて,リチウム含有遷移金属酸化物について,マンガン系と鉄系を中心に三成分相図内の電極材料物質探索を行った。従来のリチウム過剰酸化物戸比較して100-300%程度Liが過剰な組成領域で新たな結晶相を見出し,比較的高い電池高容量を示すことを明らかにした.(c)蓄電池の新たな形態の創出にむけて:制御された固体固体界面から形成される超格子積層デバイスの構築を見据えて,実現の鍵を握る固体電解質薄膜を探索し,Li_7La_3Zr_2O_<12>薄膜の合成に成功した.デバイス化に向けて固体固体界面の最適化が課題となることが見出された.
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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
H23年度は,1)多重層構造制御による新物質開拓,2)新規な電極物質の探索,3)蓄電池の新たな形態の創出:固体固体理想界面での電荷交換反応の解明を実施項目とした.1)2)については,積層薄膜合成や高圧力合成の手法を用いて,新しい構造・組成を有する材料を開拓できた.3)については,1)2)で得られた知見を基に超格子デバイスを指向して,電解質材料の作製を着実に進めている.研究全体として総合的に順調に進展している.
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Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに項目1について,理想界面および実用界面(固体液体)の構築,理想界面および実用界面を用いた固液界面での反応機構解析技術は確立した.本年度は項目2と項目3に尽力する。項目2.新物質創成:異なる原子層の積み上げによって物質を構築する手法は、物質合成を自らの手で制御できる唯一の手段であり、物質合成における究極の合成手法である。この多重層積層によって、電気化学特性の発現可能な新物質の探索を行う。項目3蓄電池の新たな形態の創出にむけて:理想界面をもつ積層セルを構築する。単結晶基板上に正極単結晶薄膜、電解質単結晶薄膜、負極単結晶薄膜を積層し、エピタキシャル成長を確認する。これまでの研究において、エピタキシャル薄膜の積層が可能であることは明らかになっている。しかし、電池としての作動が課題となっている。ここには、界面の空間電荷層内の電荷分布に伴い構造変化が誘起され、セルの作動に本質的な影響を与えていることが予想される。この課題の解決のために、固体固体界面の検出手法を開発し、固体界面での構造変化を検出する。固体固体界面での電荷交換反応の解明を進めると同時に、その現象を積層セル構築にフィードバックする。
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Research Products
(58 results)
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[Journal Article] A lithium superionic conductor2011
Author(s)
Noriaki Kamaya, Kenji Homma, Yuichiro Yamakawa, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno, Masao Yonemura, Takashi Kamiyama, Yuki Kato, Shigenori Hama, Koji Kawamoto, Akio Mitsui
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Journal Title
Nature Materials
Volume: 10
Pages: 682-686
Peer Reviewed
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[Journal Article] Magnetic and diffusive nature of LiFePO4 investigated by muon spin rotation and relaxation2011
Author(s)
Jun Sugiyama, Hiroshi Nozaki, Masashi Harada, Kazuya Kamazawa, Oren Ofer, Martin Mansson, Jess H.Brewer, Eduardo J.Ansaldo, Kim H.Chow, Yutaka Ikedo, Yasuhiro Miyake, Kazuki Ohishi, Isao Watanabe, Genki Kobayashi, Ryoji Kanno
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Journal Title
PHYSICAL REVIEW B
Volume: 84
Pages: 054430
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] 高イオン導電体Li10GeP2S12の合成と構造、物性2011
Author(s)
菅野了次, 平山雅章, 釜谷則昭, 本間健司, 山川裕一郎, 米村雅雄, 神山崇, 加藤裕樹, 濱重規, 川本浩二, 三井昭男
Organizer
第37回固体イオニクス討論会
Place of Presentation
鳥取市(鳥取県)
Year and Date
2011-12-09
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[Presentation] Li2RuO3薄膜電極の界面電子構造とインターカレーション反応機構2011
Author(s)
田港聡, 平山雅章, 鈴木耕太, Kim Kyungsu, 井戸秀和, 粉生守, 南嶋宏映, 菅野了次, 孫珍永, 田村和久, 水木純一郎
Organizer
第37回固体イオニクス討論会
Place of Presentation
鳥取市(鳥取県)
Year and Date
2011-12-09
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[Presentation] 高イオン導電体Li10GeP2S12の合成と構造、物性2011
Author(s)
菅野了次, 平山雅章, 釜谷則昭, 本間健司, 山川裕一郎, 加藤裕樹, 濱重規, 川本浩二, 三井昭男, 米村政雄, 神山崇
Organizer
第52回電池討論会
Place of Presentation
タワーホール船堀(東京都)
Year and Date
2011-10-20
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[Presentation] Surface structural analysis of LiPO/LiTiO thin film electrode2011
Author(s)
KyungSu Kim, Hidekazu Ido, Kouta Suzuki, Sou Taminato, Mamoru Komo, Hiroaki Minamishima, Kazuhisa Tamura, Jun'ichiro Mizuki, Jin-young Son, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno
Organizer
the 62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
Place of Presentation
Niigata (Japan)
Year and Date
2011-09-15
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[Presentation] Surface structure of intercalation electrodes2011
Author(s)
Masaaki Hirayama, Kouta Suzuki, KyungSu Kim, Sou Taminato, Mamoru Komo, Jin-Young Son, Kazuhisa Tamura, Ryoji Kanno
Organizer
the 62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
Place of Presentation
Niigata (Japan)(招待講演)
Year and Date
2011-09-13
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[Presentation] Li3PO4/Li4Ti5O12電極の表面構造解析2011
Author(s)
金敬洙, 井戸秀和, 鈴木耕太, 田港聡, 粉生守, 南嶋宏映, 田村和久, 水木純一郎, 孫珍永, 平山雅章, 菅野了次
Organizer
2011年電気化学秋季大会
Place of Presentation
朱鷺メッセ(新潟県)
Year and Date
2011-09-11
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[Presentation] Li2RuO3モデル電極における界面反応と電気化学特性2011
Author(s)
田港聡, 平山雅章, Yueming Zheng, 鈴木耕太, Kyungsu Kim, 粉生守, 南嶋宏映, 菅野了次, 孫珍永, 田村和久, 水木純一郎
Organizer
2011年電気化学秋季大会
Place of Presentation
朱鷺メッセ(新潟県)
Year and Date
2011-09-09
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[Presentation] STRUCTUEAL ANALYSIS OF SURFACE MODIFIED Li4Ti5O12ELECT RODE2011
Author(s)
KyungSu Kim, Hidekazu Ido, Kouta Suzuki, Sou Taminato, Mamoru Komo, Hiroaki Minamishima, Kazuhisa Tamura, Jun'ichiro Mizuki, Jin-young Son, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno
Organizer
the 5th INTERNATIONAL CONFERENCE ON POLYMER BATTERIES AND FUEL CELLS (PBFC-5)
Place of Presentation
Chicago (USA)
Year and Date
2011-08-01
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