2014 Fiscal Year Annual Research Report
高密度水素化物の材料科学－水素の結合自由度を利用したハイドライド・ギャップの克服
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25220911
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
折茂 慎一 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (40284129)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 寛之 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究副主幹 (20373243)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 水素 / 構造・機能材料 / 結合自由度 / エネルギー / 水素化物 / イオン伝導 / 固体電解質 / 全固体二次電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に構築した「電子ドナー添加技術」に基づいて[FeH6]錯イオンを有する高密度水素化物の合成予測を進めた結果、鉄系では世界トップの水素密度を有するLi4FeH6の合成に成功した。材料バリエーションの更なる拡張のため、このLi4FeH6におけるLiの一部を他の金属（例えばAl）で置き換える研究を進めた結果、[FeH6]錯イオンに加えて水素アニオンを共存させることで電気的中性条件が確保され、LiAl3FeH8などの新たな高密度水素化物を安定化できることを見出した。これは世界に先駆けた「水素アニオン添加技術」による材料設計指針であり、高密度水素化物の材料科学の展開において極めて重要といえる。
また、[FeH6]錯イオンに代表される鉄系に加えてクロム系でも詳細に検討したところ、7つの水素が双五角錐状に配置した[CrH7]錯イオンという全く新たな陰イオンが安定化できることを予測した。上記の「水素アニオン添加技術」も活用することで、実際に[CrH7]錯イオンに加えて水素アニオンが共存した新たな高密度水素化物Mg3CrH8の合成とその原子・電子構造の解析に成功した。
これらの合成研究に加えて、高密度水素化物中でのイオン伝導性の向上や全固体エネルギーデバイスとしての応用などの研究も引き続き推進した。例えば、当グループが世界に先駆けて研究を進めている水素化物固体電解質に関しては、硫黄正極と金属リチウム負極とのアセンブリによって、従来電池に使用されている正極材料と比較して2倍以上高いエネルギー密度を示す全固体リチウムイオン二次電池の原理実証が可能となった。さらに前年度発見したナトリウム超イオン伝導水素化物にかかわる研究では、超イオン伝導転移温度を150℃程度低下させた新たなナトリウム超イオン伝導水素化物の合成とその原子構造の解析にも成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成25年度の「電子ドナー添加技術」に加えて、平成26年度の「水素アニオン添加技術」による材料設計指針を提案・実証しており、目標であるハイドライド・ギャップの克服に向けた取り組みが一気に加速されたといえる。個別の課題としても、水素化物固体電解質を用いた全固体リチウム-硫黄二次電池の原理実証、110℃程度で機能するナトリウム超イオン伝導水素化物の合成、さらには鉄-水素系での定説を覆す新現象の確認など、昨年度同様に材料・エネルギー分野で注目度が高い研究成果をあげており（いずれもプレスリリース）、7件の関連特許も出願した。これらを総合的に勘案して、「当初の計画以上に進展している」と自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度注力したCrからCuに至る3d遷移金属に加え、さらにFeと同族の4d遷移金属Ruや5d遷移金属Osなどにも研究対象を広げる。さらに25年度と26年度にそれぞれ確立した「電子ドナー添加技術」と「水素アニオン添加技術」を高度に融合することにより、水素を含む錯イオン（例えば、[NiH4]、[FeH6]、[CrH7]など）や陽イオン（例えば、Li、Na、Mgなど）を複数組合せて、さらに水素アニオンも添加した、新概念の高密度水素化物の合成などにも取り組む。
合成に成功した新たな高密度水素化物に関しては、中性子・放射光実験も含めて原子・電子構造の解析を進めるが、特に水素との反応過程でのin-situ解析技術を積極的に活用し、構造変化の過程での特筆すべき物性や機能性の抽出に取り組む。さらにこのin-situ解析技術を交流インピーダンス（イオン伝導）測定にも適用するための装置開発も進める。
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Research Products
(35 results)
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[Journal Article] Site occupancy of interstitial deuterium atoms in face-centred cubic iron2014
Author(s)
A. Machida, H. Saitoh, H. Sugimoto, T. Hattori, A. Sano-Furukawa, N. Endo, Y. Katayama, R. Iizuka, T. Sato, M. Matsuo, S. Orimo, K. Aoki
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 5
Pages: 5063-1-6
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Exceptional superionic conductivity in disordered sodium decahydro-closo-decaborate2014
Author(s)
T.J. Udovic, M. Matsuo, W.S. Tang, H. Wu, N. Verdal, A.V. Soloninin, R.V. Skoryunov, O.A. Babanova, A.V. Skripov, J.J. Rush, A. Unemoto, H. Takamura, S. Orimo
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Journal Title
Advanced Materials
Volume: 26
Pages: 7622-7626
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Patent(Industrial Property Rights)] 全固体電池2014
Inventor(s)
宇根本篤, 松尾元彰, 折茂慎一,他2名
Industrial Property Rights Holder
宇根本篤, 松尾元彰, 折茂慎一,他2名
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
PCT/JP2014/72438
Filing Date
2014-08-27
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[Patent(Industrial Property Rights)] 全固体電池2014
Inventor(s)
宇根本篤, 松尾元彰, 折茂慎一,他2名
Industrial Property Rights Holder
宇根本篤, 松尾元彰, 折茂慎一,他2名
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
103130131
Filing Date
2014-09-01
Overseas
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