2023 Fiscal Year Annual Research Report
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22KF0022
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
折茂 慎一 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (40284129)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
SAU KARTIK 東北大学, 材料科学高等研究所, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子動力学 / 拡散機構 / 秩序－無秩序転移 / 圧力誘起熱効果 / 全固体電池 / 固体冷却装置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高速イオン伝導体の理解、開発、および高度な機能性の探求において、原子間の相互作用モデルを構築して、分子動力学シミュレーション研究を実施した。その結果、高速なイオン伝導を実現するためには、カチオンサイズや層間距離（ハニカム層状酸化物の場合）など、複数の要因が相互関係しあって重要な役割を果たすことがわかった。また、ビリヤードのようなリング状に拡散する機構も見出した。これらの成果は複数の論文として発表した。
高速イオン伝導のシミュレーション研究においては、共同研究者と協力して、最先端の技術を応用した。 例えば、パーシステントホモロジーという新しい位相的データ解析手法により、典型的な高速イオン伝導体であるヨウ化銀における銀イオンの集団運動を定量化した。また、遺伝的アルゴリズムと多成分回帰法を用いることで、錯体金属水素化物における2価カチオン伝導体の拡散活性化エネルギー障壁とその他の制御パラメータとの相関関係を見出した。
さらに、高速イオン伝導体であるリチウム水素化物において秩序相から無秩序相への相転移に伴い、高速イオン伝導を実現するのみならず、同時に起こるエントロピー変化に基づき、圧力制御での加熱/冷却が可能なバロカロリック効果という高度な機能性を明らかにした。
これまでの固体イオン伝導体についてその高速イオン伝導の背後にある基本的なメカニズムを理解するため総合的に調査・比較・考察した。秩序・無秩序遷移、アニオン回転、イオン協調運動、イオン・欠陥濃度、拡散次元などが複雑に絡み合って高速イオン伝導を実現しており、それらを制御することが重要であることを明らかにし、海外企業の研究者とも協力してレビュー論文を執筆し投稿した。
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| Remarks |
実験と理論シミュレーションを組み合わせたアプローチを通じて、金属水素化物の圧力誘起熱効果（バロカロリック特性）を研究した。特に、イオン伝導特性に優れた炭素置換の水素化ホウ素クロソ化合物は、巨大なエントロピー変化を伴うバランスのとれたバロカロリック効果を示した。大きなエントロピー変化が、Li+イオン拡散、クロソ化合物の回転、および振動状態密度の複合効果であることを特定し、論文投稿し受理された。
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[Journal Article] Colossal reversible barocaloric effects in a plastic crystal mediated by lattice vibrations and ion diffusion2024
Author(s)
Ming Zeng, Carlos Escorihuela-Sayalero, Tamio Ikeshoji, Shigeyuki Takagi, Sangryun Kim, Shin-ichi Orimo, Maria Barrio Barrio, Josep-Lluis Tamarit, Pol Lloveras, Claudio Cazorla, Kartik Sau
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Journal Title
Advanced Science
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Fast divalent conduction in MB12H12-12H2O (M = Zn, Mg) complex hydrides: effects of rapid crystal water exchange and application for solid-state electrolytes2023
Author(s)
Kazuaki Kisu, Arunkumar Dorai, Sangryun Kim, Riku Hamada, Akichika Kumatani, Yoshiko Horiguchi, Ryuhei Sato, Kartik Sau, Shigeyuki Takagi, Shin-ichi Orimo
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Journal Title
Journal of Materials Chemistry A
Volume: 10
Pages: 24877-24887
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Investigating Colossal Barocaloric Effect in Closo-type Hydrides using Molecular Dynamics Simulation2023
Author(s)
Ming Zeng, Carlos Escorihuela-Sayalero, Tamio Ikeshoji, Shigeyuki Takagi, Sangryun Kim, Shin-ichi Orimo, Maria Barrio Barrio, Josep-Lluis Tamarit, Pol Lloveras, Claudio Cazorla, Kartik Sau
Organizer
The 6th International Conference on Molecular Simulation
Int'l Joint Research
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[Presentation] Colossal Reversible Barocaloric Effects in LiCB11H12 Mediated by Lattice Vibrations and Ion Diffusion2023
Author(s)
Ming Zeng, Carlos Escorihuela-Sayalero, Tamio Ikeshoji, Shigeyuki Takagi, Sangryun Kim, Shin-ichi Orimo, Maria Barrio Barrio, Josep-Lluis Tamarit, Pol Lloveras, Claudio Cazorla, Kartik Sau
Organizer
The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
