大強度パルス中性子によるミリ秒オーダー構造観測技術の開発と蓄電池研究への応用

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24710093
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 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: 中性子回折 / イオン伝導体 / 電池材料

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、大強度陽子加速器施設／物質生命科学実験施設（J-PARC／MLF、東海村）に設置されている中性子回折装置群を利用し、40ms毎に発生する大強度パルス中性子の特徴を活かしたミリ秒オーダー時分割構造観測技術の開発を行い、蓄電池研究（例えば、正極材や固体電解質中のリチウム位置の時間変化）等へ応用することである。中性子は、物質中の軽元素（水素、リチウムおよび酸素）の位置（構造）や動的挙動（ダイナミクス）の観測に優れていることから、本研究で開発したミリ秒オーダー時分割構造観測技術とダイナミクス観測を併用することで、電池反応等の軽元素に関連する非平衡状態の解明が期待される。
平成26年度（最終年度）は、全固体セル（「Li｜Li7P3S11準安定結晶｜In」）を構築し、J-PARC／MLFの中性子回折装置を利用して充放下での中性子回折実験を実施した。また、本研究で開発したリバースモンテカルロモデリングとBond Valence Sum解析を組み合わせたリチウムイオン伝導経路視覚化技術（RMC&BVS解析）を利用し、歪んだ結晶やガラス物質でのリチウムイオン伝導経路の視覚化に成功した。その結果、RMC&BVS解析から求められたリチウムイオンの動きやすさを示すパラメーターの組成変化と電気伝導度測定から得られた活性化エネルギーの組成変化が一致し、構造と物性との接点を示すことに成功した。さらに、中性子準弾性散乱実験から得られたリチウムイオンのジャンプ距離がイオン伝導経路における安定サイト間距離と一致し、構造とダイナミクスとの接点を示すことにも成功した。

Research Products

• [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, T. Fukunaga
  • Journal Title: Solid State Ionics Volume: 268 Pages: 76-81
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2014.09.030
  • Peer Reviewed / 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: 日本中性子科学会「波紋」 Volume: 24 Pages: 267-272
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Novel monolayer shields of a neutron powder diffractometer SPICA at BL09 of J–PARC (2014)
  • Author(s): M. Kawai, M. Yonemura, S. Torii, T. Muroya, K. Mori, T. Fukunaga, K. Okuno, K. Takeda, K. Niita, T. Kamiyama
  • Journal Title: Progress in Nuclear Science and Technology Volume: 4 Pages: 156-159
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neutron diffraction studies on structural effect for Ni-doping in LiCo1–xNixO2 (2014)
  • Author(s): D. S. Adipranoto, T. Ishigaki, A. Hoshikawa, K. Iwase, M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, Y. Morii, M. Hayash
  • Journal Title: Solid State Ionics Volume: 262 Pages: 92-97
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.11.014
  • Peer Reviewed
• [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, T. Fukunaga
  • Journal Title: J. Phys.: Conference Series Volume: 502 Pages: 012021
  • DOI: 10.1088/1742-6596/502/1/012021
  • Peer Reviewed
• [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, Z. Ogumi
  • Journal Title: J. Phys.: Conference Series Volume: 502 Pages: 012053
  • DOI: 10.1088/1742-6596/502/1/012053
  • Peer Reviewed
• [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: 東京大学
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] メカニカルアロイング法で作製したLi-Ge-P-S系のイオン伝導空間解 (2015)
  • Author(s): 笠井拓矢、小野寺陽平、森一広、福永俊晴
  • Organizer: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • Place of Presentation: 京都大学原子炉実験所
  • Year and Date: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [Presentation] 中性子／Ｘ線によるNa-P-S系超イオン伝導体の構造研究 (2015)
  • Author(s): 小野寺陽平、中島広志、森一広、福永俊晴
  • Organizer: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • Place of Presentation: 京都大学原子炉実験所
  • Year and Date: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [Presentation] Li2S-GeS2系超イオン伝導ガラスの構造と電気伝導特性 (2015)
  • Author(s): 古田幸三、森一広、小野寺陽平、福永俊晴
  • Organizer: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • Place of Presentation: 京都大学原子炉実験所
  • Year and Date: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [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 (2015)
  • Author(s): 延壽寺啓悟、森一広、市田智晴、小野寺陽平、福永俊晴
  • Organizer: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • Place of Presentation: 京都大学原子炉実験所
  • Year and Date: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [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「かでる２・７」（札幌市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 充放電下の電極構造変化の直接観測 - SPICAを用いたin operando 中性子回折の現状 (2014)
  • Author(s): 米村雅雄、石川喜久、鳥居周輝、富安亮子、神山崇、Dyah Sulistyanintyas、中貴弘、森島慎、塩谷真也、小松秀行、松永利之、三井昭男、佐藤健児、菅谷英生、下田景士、右京良雄、荒井創、小久見善八、田港聡、平山雅章、菅野了次、北村尚斗、井手本康、内本喜晴、森一広、福永俊晴、小野寺陽平
  • 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「かでる２・７」（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「かでる２・７」（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「かでる２・７」（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「かでる２・７」（札幌市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [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「かでる２・７」（札幌市）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [Presentation] 急冷処理を施したLi3xLa2/3-xTiO3超イオン伝導体の伝導経路とボトルネック評価 (2014)
  • Author(s): 森一広、冨平昌吾、福永俊晴、Joan Siewenie
  • Organizer: 第40年固体イオニクス討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2014-11-16 – 2014-11-18
• [Presentation] 中性子／Ｘ線回折によるNa-P-S系の構造とイオン伝導特性 (2014)
  • Author(s): 小野寺陽平、中島広志、森一広、大友季哉、福永俊晴
  • Organizer: 第40年固体イオニクス討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2014-11-16 – 2014-11-18
• [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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [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
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
  • Invited
• [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
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [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: つくば市
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [Presentation] Neutron aided battery analysis: status and prospects (2014)
  • Author(s): H. Arai, M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, T. Fukunaga, Y. Onodera, A. Mitsui, T. Naka, M. Morishima, H. Sugaya, H. Komatsu, Y. Orikasa, Y. Ishikawa, D. Sulistyanintyas, K. Shimoda, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • Place of Presentation: つくば市
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [Presentation] Development of in situ technique for battery study using special environment neutron powder diffractometer, SPICA (2014)
  • Author(s): M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, T. Fukunaga, Y. Ishikawa, S. Torii, R. Tomiyasu, D. Sulistyanintyas, Y. Onodera, A. Mitsui, T. Naka, M. Morishima, H. Sugaya, H. Komatsu, M. Hirayama, R. Kanno, N. Kitamura, Y. Idemoto, K. Shimoda, Y. Ukyo, H. Arai, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • Place of Presentation: つくば市
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-15