中性子散乱による蓄電池材料中の伝導原子の位置と動きの解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24360263
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 福永 俊晴 京都大学, 原子炉実験所, 教授 (60142072)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小野寺 陽平 京都大学, 原子炉実験所, 助教 (20531031) ; 森 一広 京都大学, 原子炉実験所, 准教授 (40362412)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: イオン伝導物質 / 固体電解質 / 中性子散乱 / X線回折 / イオン伝導度 / 全固体電池 / 原子構造 / イオン伝導経路

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、蓄電池中の伝導原子の位置とその動きそして母相構造の時間変化を中性子散乱で詳細に観察し、モデリングを補助的に活用して明らかにすることを目的としている。本研究は全固体電池の創製を目指した基礎研究として位置づけ、固体電解質として超イオン伝導ガラスや結晶（準安定結晶を含む）（Li2S-P2S5系、Na2S-P2S5系、Li2S-P2S5-GeS2系、Li3xLa2/3-xTiO3系）の創製を行い、作製した試料の中性子散乱実験（回折、準弾性散乱）と放射光X回折実験を行い、リートベルト解析、PDF解析そしてリバースモンテカルロ法によるモデリングを行い、精度の高い３次元構造を求めた。さらに我々が新たに開発した改良型ボンドバレンスサム（BVS）法を用いて、リチウムの安定存在位置の明瞭化、そしてイオン伝導経路の視覚化に世界で初めて成功した。リチウムイオンの安定位置や準安定位置そして伝導経路の解明により、構造データからイオンの伝導しやすさを表すパラメータを導きだすことに成功した。これによって、得られたイオンの伝導しやすさパラメータはイオン伝導度における活性化エネルギーのイオン濃度変化と一致し、構造変化がもたらす物性変化を定性的であるが説明することに世界で初めて成功した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of SPICA, new dedicated neutron powder diffractometer for battery studies (2014)
  • Author(s): M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, T. Fukunaga, S. Torii, M. Nagao, Y. Ishikawa, Y. Onodera, D. S. Adipranoto, H. Arai, Y. Uchimoto, and Z. Ogumi
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 502 Pages: 012053(1-4)
  • DOI: 10.1088
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural origin of ionic conductivity for Li7P3S11 metastable crystal by neutron and X-ray diffrcation (2014)
  • Author(s): Y. Onodera, K. Mori, T. Otomo, H. Arai, Y. Uchimoto, Z. Ogumi, and T. Fukunaga
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 502 Pages: 012021(1-4)
  • DOI: 10.1088
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Visualization of conduction pathways in a lanthanum lithium titanate superionic conductor synthesized by rapid cooling (2014)
  • Author(s): K. Mori, S. Tomihira, K. Iwase, and T. Fukunaga
  • Journal Title: Solid State Ionics Volume: 268 Pages: 76-81
  • DOI: 10.1016
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 中性子を用いたアモルファス・ナノ結晶材料の構造学的研究 (2014)
  • Author(s): 福永俊晴
  • Journal Title: 波紋 Volume: 24 Pages: 94-99
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 非晶質系リチウムイオン伝導体の構造とイオン伝導経路 (2014)
  • Author(s): 森一広、福永俊晴、小野寺陽平
  • Journal Title: 波紋 Volume: 24 Pages: 267-272
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Li2S-GeS2超イオン伝導ガラスの電気伝導と局所構造 (2015)
  • Author(s): 森一広、古田幸三、小野寺陽平、福永俊晴
  • Organizer: 日本金属学会2015年春期講演大会
  • Place of Presentation: 東大駒場キャンパス（ 東京都 ）
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] Li-P-S系超イオン伝導体におけるLi伝導パスの構造依存性 (2015)
  • Author(s): 福永俊晴、森一広、小野寺陽平
  • Organizer: 物構研サイエンスフェスタ（第６回MLFシンポジウム）
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（ つくば市 ）
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-18
• [Presentation] Li2S-GeS2系超イオン伝導ガラスの構造解析 (2014)
  • Author(s): 古田幸三、森一広、小野寺陽平、福永俊晴
  • Organizer: 日本中性子科学会第14回年会
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センター（ 札幌市 ）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] Li2S-P2S5系超イオン伝導ガラスのリチウムイオン伝導経路評価 (2014)
  • Author(s): 延壽寺啓悟、森一広、福永俊晴
  • Organizer: 日本中性子科学会第14回年会
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センター（ 札幌市 ）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 中性子／Ｘ線によるNa-P-S系超イオン伝導ガラスの構造研究 (2014)
  • Author(s): 小野寺陽平、中島広志、森一広、福永俊晴、大友季哉
  • Organizer: 日本中性子科学会第14回年会
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センター（ 札幌市 ）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 中性子回折によるLi-Ge-P-S系ガラス／結晶のイオン伝導空間解析 (2014)
  • Author(s): 笠井拓矢、小野寺陽平、森一広、福永俊晴
  • Organizer: 日本中性子科学会第14回年会
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センター（ 札幌市 ）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 急冷処理を施したLi0.4La0.53TiO3超イオン伝導体中のボトルネック評価 (2014)
  • Author(s): 森一広、冨平昌吾、福永俊晴
  • Organizer: 日本中性子科学会第14回年会
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センター（ 札幌市 ）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 急冷処理を施したLi0.4La0.53TiO3超イオン伝導体中のボトルネックの形状評価 (2014)
  • Author(s): 森一広、冨平昌吾、福永俊晴
  • Organizer: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（ 名古屋市 ）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] Li2S-GeS2系超イオン伝導ガラスの構造評価 (2014)
  • Author(s): 古田幸三、森一広、小野寺陽平、福永俊晴
  • Organizer: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（ 名古屋市 ）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] Li2S-P2S5系超イオン伝導ガラスのリチウムイオン分布と可動経路 (2014)
  • Author(s): 延壽寺啓悟、森一広、市田智晴、小野寺陽平、福永俊晴
  • Organizer: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（ 名古屋市 ）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] Na-P-S系超イオン伝導体におけるイオン伝導空間の解析 (2014)
  • Author(s): 小野寺陽平、中島広志、森一広、大友季哉、福永俊晴
  • Organizer: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（ 名古屋市 ）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] メカニカルアロイング法で作製したLi-Ge-P-S系超イオン伝導体の構造研究 (2014)
  • Author(s): 笠井拓矢、小野寺陽平、森一広、福永俊晴
  • Organizer: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（ 名古屋市 ）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] 中性子および放射光Ｘ線回折によるNa-P-S系のイオン伝導空間解析 (2014)
  • Author(s): 小野寺陽平、中島広志、森一広、福永俊晴
  • Organizer: 日本セラミックス協会第27回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 鹿児島大学（ 鹿児島市 ）
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [Presentation] 非晶質系固体電解質のリチウムイオン伝導経路の視覚化 (2014)
  • Author(s): 森一広、市田智晴、小野寺陽平、福永俊晴
  • Organizer: 日本セラミックス協会第27回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 鹿児島大学（ 鹿児島市 ）
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
  • Invited
• [Presentation] Local structures and conduction pathways of Li ions for Li3xLa 2/3-xTiO3 synthesized by rapid cooling (2014)
  • Author(s): K. Mori, S. Tomihira, T. Fukunaga, J. Siewenie
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（ つくば市 ）
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [Presentation] Local structures and electrochemical properties of Li2S-GeS2 superionic glasses (2014)
  • Author(s): K. Furuta, K. Mori, T. Fukunaga, Y. Onodera, T. Otomo
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（ つくば市 ）
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [Presentation] Structure and conductivity of Na-P-S superionic conducting glasses studied by neutron and X-ray diffraction (2014)
  • Author(s): Y. Onodera, H. Nakashima, K. Mori, T. Otomo, T. Fukunaga
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（ つくば市 ）
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [Remarks] 福永研究室
  • URL: http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/FukunagaLab/