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2014 Fiscal Year Research-status Report

錯体水素化物の高速イオン伝導機構の解明と多価イオン伝導・イオン液体への機能展開

Research Project

Project/Area Number 26820311
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

松尾 元彰  東北大学, 金属材料研究所, 講師 (20509038)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2016-03-31
Keywords錯体水素化物 / ナトリウムイオン伝導 / 固体電解質
Outline of Annual Research Achievements

錯体水素化物は従来燃料電池用の高密度水素貯蔵材料として注目されてきたが、近年新たに次世代全固体二次電池の電解質へ応用可能な高速イオン伝導材料としても期待されている。本研究では、高速イオン伝導を示す新たな錯体水素化物の創製、およびその伝導機構の解明を目的として取り組んでいる。
今年度は籠状構造の水素化ホウ素錯イオン[BnHn]2-を有するNa系錯体水素化物Na2BnHnに注目して研究を行った。まず、結晶構造が既知であるNa2B12H12のナトリウムイオン伝導特性を評価した。次にNa2B10H10を合成し、その結晶構造、熱的安定性、ナトリウムイオン伝導特性について中性子回折・散乱、示差走査熱量分析、核磁気共鳴、交流インピーダンス法などを用いて系統的に評価した。
Na2B12H12は255 ℃付近での単斜晶から立方晶への構造相転移することが報告されていたが、構造相転移に伴ってナトリウムイオン伝導率が2桁上昇し、約0.1 S/cmのナトリウム超イオン伝導を示すことがわかった。また、Na2B10H10もNa2B12H12と同様に約110 ℃で立方晶から単斜晶へと構造相転移することがわかった。立方晶構造では約0.01 S/cmのナトリウム超イオン伝導を示した。
中性子回折・散乱、および核磁気共鳴実験から、Na2B12H12とNa2B10H10に共通して立方晶構造ではナトリウムサイトに空孔が生成するとともに、錯イオン[BnHn]2-の再配向回転頻度が10^11 1/s以上と非常に大きいことが判明した。この[BnHn]2-の再配向回転によりNa占有位置の自由度が増大し、それにより空孔が導入されると同時にナトリウムチャンネルを形成するため、ナトリウム超イオン伝導が発現したと考えられる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験計画では高速イオン伝導を示す新たな錯体水素化物の創製およびその伝導機構の解明を目標に掲げた。Na系錯体水素化物Na2BnHn(n=10, 12)での結晶構造、熱的安定性、ナトリウムイオン伝導特性を系統的に評価した結果、いずれも0.01 S/cm以上のナトリウム超イオン伝導を示すNa2B12H12とNa2B10H10を得るに至った。また、籠状錯イオン[BnHn]2-の高速再配向回転がナトリウムイオンの伝導性を促進するという、新たな伝導機構を示唆する結果が得られている。総合的に鑑みて、概ね計画通りに研究を進めることができている。

Strategy for Future Research Activity

Na2B12H12とNa2B10H10の熱的安定性をより詳細に評価し、融解および水素放出とナトリウムイオン伝導特性との相関を明らかにする。また、Mg2+陽イオンと [BH4]-、[NH2]-、[BnHn]2-などの錯イオンで構成された錯体水素化物を合成し、多価イオン伝導体としての材料開発を進める。

  • Research Products

    (23 results)

All 2015 2014 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (13 results) (of which Invited: 5 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Journal Article] Effect of lithium ion conduction on hydrogen desorption of LiNH2-LiH solid composite2015

    • Author(s)
      Tengfei Zhang, Shigehito Isobe, Motoaki Matsuo, Shin-ichi Orimo, Yongming Wang, Somei Ohnuki
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 5 Pages: 1552-1555

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1021/cs501782y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Complex transition metal hydrides incorporating ionic hydrogen: Thermal decomposition pathway of Na2Mg2FeH8 and Na2Mg2RuH82015

    • Author(s)
      Terry D. Humphries, Motoaki Matsuo, Guanqiao Li, Shin-ichi Orimo
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 17 Pages: 8276-8282

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1039/C5CP00258C

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sodium superionic conduction in Na2B12H122014

    • Author(s)
      Terrence J. Udovic, Motoaki Matsuo, Atsushi Unemoto, Nina Verdal, Vitalie Stavila, Alexander V. Skripov, John J. Rush, Hitoshi Takamura, Shin-ichi Orimo
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 50 Pages: 3750-3752

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1039/C3CC49805K

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Exceptional superionic conductivity in disordered sodium decahydro-closo-decaborate2014

    • Author(s)
      Terrence J. Udovic, Motoaki Matsuo, Wan Si Tang, Hui Wu, Vitalie Stavila, Alexei V. Soloninin, Roman V. Skoryunov, Olga A. Babanova, Alexander V. Skripov, John J. Rush, Atsushi Unemoto, Hitoshi Takamura, Shin-ichi Orimo
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 26 Pages: 7622-7626

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1002/adma.201403157

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Nuclear magnetic resonance study of atomic motion in the mixed borohydride-amide Na2(BH4)(NH2)2014

    • Author(s)
      Alexei V. Soloninin, Olga A. Babanova, Evgeny Y. Medvedev, Alexander V. Skripov, Motoaki Matsuo, Shin-ichi Orimo
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 118 Pages: 14805-14812

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1021/jp503451d

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of bulk-type all-solid-state lithium-sulfur battery using LiBH4 electrolyte2014

    • Author(s)
      Atushi Unemoto, Shun Yasaku, Genki Nogami, Masaru Tazawa, Mitsugu Taniguchi, Motoaki Matsuo, Tamio Ikeshoji, Shin-ichi Orimo
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 105 Pages: 083901(1)-(4)

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4893666

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Hydro-closo-borates Na2BnHn (n=10, 12)でのナトリウム高速イオン伝導2015

    • Author(s)
      松尾 元彰, Terrence J. Udovic, 神保 貴行, 宇根本 篤, 高村 仁, 折茂 慎一
    • Organizer
      日本金属学会2015年春期大会
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2015-03-18 – 2015-03-20
  • [Presentation] LiBH4-LiCl系固体電解質を用いた高容量型バルク全固体Li/S電池の開発2015

    • Author(s)
      吉田 浩二, 宇根本 篤, 矢作 駿, 松尾 元彰, 池庄司 民夫, 折茂 慎一
    • Organizer
      日本金属学会2015年春期大会
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2015-03-18 – 2015-03-20
  • [Presentation] LiBH4-LiI系固体電解質を用いた高電位型バルク全固体Li/LiCoO2電池の開発2015

    • Author(s)
      宇根本 篤, 野上 玄器, 田沢 勝, 谷口 貢, 松尾 元彰, 池庄司 民夫, 折茂 慎一
    • Organizer
      日本金属学会2015年春期大会
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2015-03-18 – 2015-03-20
  • [Presentation] エネルギー機能性材料としての錯体水素化物の開発2015

    • Author(s)
      松尾 元彰
    • Organizer
      JAEA放射光科学シンポジウム2015
    • Place of Presentation
      大型放射光施設SPring-8(兵庫県佐用郡)
    • Year and Date
      2015-03-16 – 2015-03-17
    • Invited
  • [Presentation] Complex hydrides for all-solid-state energy devices2014

    • Author(s)
      Atsushi Unemoto , Motoaki Matsuo, Tamio Ikeshoji, Shin-ichi Orimo
    • Organizer
      Second Ineternational Conference of Young Researchers on Advanced Materials (IUMRS-ICYRAM 2014)
    • Place of Presentation
      Haikou (China)
    • Year and Date
      2014-10-24 – 2014-10-29
    • Invited
  • [Presentation] Complex hydrides for all-solid-state rechargeable battery electrolytes2014

    • Author(s)
      Atsushi Unemoto , Motoaki Matsuo, Tamio Ikeshoji, Shin-ichi Orimo
    • Organizer
      Eleventh International Conference on Flow Dynamics (ICFD2014)
    • Place of Presentation
      仙台国際会議場(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2014-10-08 – 2014-10-10
    • Invited
  • [Presentation] ナトリウム高速イオン伝導体としてのホウ素系錯体水素化物の開発2014

    • Author(s)
      神保 貴行, 松尾 元彰, Terrence J. Udovic, 宇根本 篤, 高村 仁, 折茂 慎一
    • Organizer
      日本金属学会2014年秋期大会
    • Place of Presentation
      名古屋大学(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2014-09-24 – 2014-09-26
  • [Presentation] 錯体水素化物固体電解質を用いた高エネルギー密度型バルク全固体リチウムー硫黄電池の開発2014

    • Author(s)
      宇根本 篤, 矢作 駿, 野上 玄器, 田沢 勝, 谷口 貢, 松尾 元彰, 池庄司 民夫, 折茂 慎一
    • Organizer
      日本金属学会2014年秋期大会
    • Place of Presentation
      名古屋大学(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2014-09-24 – 2014-09-26
  • [Presentation] Fast ionic conduction in complex hydrides2014

    • Author(s)
      Motoaki Matsuo, Atsushi Unemoto, Tamio Ikeshoji, Hitoshi Takamura, Terrence J. Udovic, Alexander Skripov, Shin-ichi Orimo
    • Organizer
      The International Meeting on Advanced Material Science for Hydrogen
    • Place of Presentation
      琉球大学(沖縄県中頭郡)
    • Year and Date
      2014-08-25 – 2014-08-27
  • [Presentation] Fast ionic conduction in complex hydrides2014

    • Author(s)
      Motoaki Matsuo, Hiroyuki Oguchi, Atsushi Unemoto, Tamio Ikeshoji, Hitoshi Takamura, Tejs Vegge, Arndt Remhof, Andreas Borgshulte, Andreas Zuttel, Terrence J. Udovic, Alexander Skripov, Shin-ichi Orimo
    • Organizer
      International Symposium on Metal-Hydrogen Systems 2014 (MH2014)
    • Place of Presentation
      Manchester (UK)
    • Year and Date
      2014-07-21 – 2014-07-25
    • Invited
  • [Presentation] Effect of lithium ion conduction on hydrogen desorption of LiNH2-LiH solid composite2014

    • Author(s)
      Tengfei Zhang, Shigehito Isobe, Yongming Wang, Naoyuki Hashimoto, Somei Ohnuki, Motoaki Matsuo, Shin-ichi Orimo
    • Organizer
      International Symposium on Metal-Hydrogen Systems 2014 (MH2014)
    • Place of Presentation
      Manchester (UK)
    • Year and Date
      2014-07-21 – 2014-07-25
  • [Presentation] Altering the structural properties of A2B12H12 compounds via cation and anion modifications2014

    • Author(s)
      Wan S. Tang, Terrence J. Udovic, Nina Verdal, John J. Rush, Alexander V. Skripov, Vitalie Stavila, Motoaki Matsuo, Shin-ichi Orimo
    • Organizer
      International Symposium on Metal-Hydrogen Systems 2014 (MH2014)
    • Place of Presentation
      Manchester (UK)
    • Year and Date
      2014-07-21 – 2014-07-25
  • [Presentation] Fast ionic conduction in complex hydrides2014

    • Author(s)
      Motoaki Matsuo
    • Organizer
      EMN East Meeting 2014
    • Place of Presentation
      Bejin (China)
    • Year and Date
      2014-05-12 – 2014-05-15
    • Invited
  • [Remarks] ナトリウムイオン電池 固体電解質の新素材

    • URL

      http://www.hydrogen.imr.tohoku.ac.jp/publication/pdf/20141016.pdf

  • [Remarks] 超イオン伝導現象を発見 安定な錯体水素化物で

    • URL

      http://www.hydrogen.imr.tohoku.ac.jp/publication/pdf/20141031.pdf

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 全固体電池用電極層および全固体電池2014

    • Inventor(s)
      野上、廣川、島田、田沢、宇根本、松尾、折茂
    • Industrial Property Rights Holder
      野上、廣川、島田、田沢、宇根本、松尾、折茂
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2014-140903
    • Filing Date
      2014-07-08
  • [Patent(Industrial Property Rights)] イオン伝導体およびその製造方法2014

    • Inventor(s)
      野上 玄器, 谷口 貢, 宇根本 篤, 松尾 元彰, 折茂 慎一
    • Industrial Property Rights Holder
      野上 玄器, 谷口 貢, 宇根本 篤, 松尾 元彰, 折茂 慎一
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2014-258212
    • Filing Date
      2014-12-22

URL: 

Published: 2016-06-01  

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