| Project Area | Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices |
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| Project/Area Number |
19H05813
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
入山 恭寿 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (30335195)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 優実 東京理科大学, 工学部工業化学科, 准教授 (00436619)
獨古 薫 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70438117)
松井 雅樹 北海道大学, 理学研究院, 教授 (70639210)
大西 剛 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, グループリーダー (80345230)
太子 敏則 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (90397307)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥306,150,000 (Direct Cost: ¥235,500,000、Indirect Cost: ¥70,650,000)
Fiscal Year 2022: ¥53,040,000 (Direct Cost: ¥40,800,000、Indirect Cost: ¥12,240,000)
Fiscal Year 2021: ¥57,590,000 (Direct Cost: ¥44,300,000、Indirect Cost: ¥13,290,000)
Fiscal Year 2020: ¥52,390,000 (Direct Cost: ¥40,300,000、Indirect Cost: ¥12,090,000)
Fiscal Year 2019: ¥91,520,000 (Direct Cost: ¥70,400,000、Indirect Cost: ¥21,120,000)
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| Keywords | 全固体電池 / 界面 / 単結晶 / 薄膜 / 固体イオニクス / Interface Ionics / Mixed Conductor / Solid Electrolyte / Single Crystal / Thin Film |
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| Outline of Research at the Start |
固体内において電子・ホール以外にイオンが電荷キャリアとなる”蓄電固体材料”の界面で、イオンが高速に移動する、或いはイオンが高濃度に蓄積する現象を自在に操るための「蓄電固体界面科学」の学理構築を領域目的としています。本研究は、単結晶、薄膜材料、原子層で厚み制御できる技術などを活用してイオン移動・蓄積に影響を及ぼす因子を詳細に解明できるモデル界面を作成し、基礎的な評価を行います。高度計測（A02）への試料提供、理論・データ（A03）の実験的検証、機能開拓（A04）のモデル形成を行うことで、領域の学理構築に貢献します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
A01はモデル界面を担当し、1.モデル基盤材料の合成 2.イオン輸送モデル界面の構築とその高速化 3.イオン蓄積モデル界面の構築とその高濃度化の三つの研究項目に取り組んでいる。本年度はイオン輸送モデル界面の構築とその高速化、およびイオン蓄積モデル界面の構築とその評価を中心に行った。
イオン輸送モデル界面については、R2年度に引き続きA02の多様な高度計測装置に適した膜厚・サイズの標準電池を作製し、A02との連携でイオン輸送抵抗のメカニズムや反応分布の解明に関する研究を進めている。電極／固体電解質界面においては気相法を用いて正極側・負極側で超低抵抗界面を実現し、その制御因子に関する知見を得た。正極側ではLiCoO2を固体電解質上に低温合成する手法に着手し、その際のイオン交換に伴う課題を見出した。負極側では気相法で固体電解質上に負極の厚膜を作製し、大電流での充放電を可能とするための低抵抗界面構築と臨界電流密度の引き上げを両立する取り組みを進めている。固体電解質と有機電解質の界面イオン移動について検討を行い、用いる固体電解質の結晶構造が界面イオン移動抵抗に大きな影響を及ぼすことを見出した。
イオン蓄積モデル界面については、LixLa(1-x)/3NbO3 （LLNbO）などの単結晶基板を合成し、A02及び他の連携機関へ試料提供を行うことで電荷蓄積現象の解明に向けた研究を進めている。これら単結晶材料を用いた熱刺激電流法等による電荷蓄積の計測・緩和挙動の解析を進めた。LLNbOバルク内における局所イオン配置と拡散の関係について、第一原理計算に基づく検討もA03との連携で行った。更に他の連携機関との共同研究により、LLNbOの電子物性に関する知見も得た。
以上の成果に関して、A01では学術論文が14件、学会発表が39件（うち招待講演が13件、国際学会が7件）の成果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
イオン輸送界面においては、標準電池やハーフセルなどA02の高度計測に適したモデルセルを提供し、その連携成果が着実に得られている。気相法を用いた電極/固体電解質界面の構築については、超低抵抗界面の構築とその制御因子、更には固体界面を用いた電極反応の高性能化に関する成果が得られてきた。また、焼結プロセスで界面構築する際の副反応生成のトリガー解明とそれに基づく低温材料合成と低温界面形成の知見が深まりつつある。更に、有機電解質/固体電解質界面でのイオン輸送に及ぼす因子に関する知見も得られてきた。
イオン蓄積界面においては単結晶材料の合成と提供、それを用いた熱刺激電流法、A02 の高度解析、A03の理論計算の連携による成果も得られつつある。
モデル基盤材料合成に関しては当初予定より遅れている部分もあるが、単結晶材料合成についてはφ3-5mm程度に成長した一方向凝固組織からなる結晶を育成する条件が見出されてきた。原子層制御材料においては成膜条件を絞り込み、電極/固体電解質のコート層材料への活用を進めている。
以上、A01ではイオン輸送界面の高速化における成果が連携研究を活用し着実に得られつつある。研究項目による濃淡はあるが、総合的には概ね順調に研究が進捗していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
1.イオン輸送モデル界面
・第一世代標準電池の提供と第二世代標準電池の開発（担当：入山、大西、太子）：R3年度に引き続き、多結晶LATP電解質を用いた第一世代標準電池をA02に提供し多角解析を継続して進める。また、第二世代標準電池の開発に向けては、その母材となる単結晶合成について原料組成と固溶度の理解をもとに、さらなる結晶の拡大成長条件の探索を公募研究とも連携して進める。
・薄膜電極－非晶質電解質界面でのイオン輸送特性支配因子の抽出（担当：大西、入山）：A03との連携を中心とした電極反応の定常状態解析に向けて、その解析に有用と考えられる薄膜電池を大西Gp、入山GPが連携して作製する。また、解析に必要な実験データの取得を公募Gpとも連携して行う。
・低抵抗ヘテロ界面構築手法の開発（担当：松井、獨古、大西）：松井Gpは焼結プロセスによる電極－固体電解質の低抵抗界面形成に着目する。R3年度までに見出した新規電極合成プロセスを活用し、種々の固体電解質との反応性を元素置換を中心に系統的に調べ、低抵抗界面形成に必要な条件を検討する。獨古Gpは有機固体電解質と薄膜電極からなるモデル界面に着目する。有機固体電解質の構造やLi塩濃度、アニオン種が界面抵抗に及ぼす影響に着目して研究を進める。大西Gpは固体電解質の表面制御のもと、高容量なSi負極を大電流で活用するための検討を行う。
２．イオン蓄積モデル界面
・イオン蓄積モデル界面の構築と高濃度化（担当：田中、太子、入山）：単結晶LLNbOや多結晶LATP電解質を用いた熱刺激電流法解析により、分極・緩和の繰り返しで様々な未同定ピークが出現することがわかってきた。R4年度はこれら未同定ピークの起源解明に向けた研究をA02、A3との連携で進める。
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