| Project Area | Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices |
|---|
| Project/Area Number |
19H05813
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Review Section |
Science and Engineering
|
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
入山 恭寿 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (30335195)
|
|---|
| 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 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (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, 准教授 (90397307)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
|
| Budget Amount *help |
¥306,150,000 (Direct Cost: ¥235,500,000、Indirect Cost: ¥70,650,000)
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)
|
|---|
| Keywords | 固体イオニクス / 界面 / 全固体電池 / 薄膜 / 単結晶 / Interface Ionics / Mixed Conductor / Solid Electrolyte / Single Crystal / Thin Film |
|---|
| 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。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
A01は領域内で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。本年度はモデル基盤材料を組みあわせてイオン輸送モデル界面およびイオン蓄積モデル界面を構築し、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、R1年度に絞り込んだ材料を活用し、電極／固体電解質の界面抵抗が桁で異なる標準電池を開発した。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解明を進めている。界面抵抗の異なる標準電池をつくる過程で、界面での化学因子の一つである副反応相生成のトリガーの仮説をたて、それをもとに副反応相生成を制御する新規な成膜・焼結手法を見出した。また、界面接合時の副反応相を抑制するためには低温での界面構築も有用であり、常温界面接合や低温電極合成（400℃程度）等の新規な界面形成・材料合成法も進展した。有機固体電解質－無機固体電解質界面については、有機固体電解質に含まれるアニオン種が界面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、領域で作製した単結晶固体電解質を用い、その切り出し面方位が異なる試料を用いて常温での直流電圧印加による電荷蓄積の緩和過程を熱刺激電流法及び計算的手法によって評価した。
以上の成果に関して、A01では学術論文が16件、学会発表が46件（うち招待講演が12件、国際学会が12件）、知財が8件の成果を得た。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
電極－固体電解質の界面イオン輸送抵抗が異なる標準電池を開発し、これまでにA02の7つの機関に試料を提供し、その連携成果が順調に得られている。コロナ禍での研究活動を通じ、web会議やオンラインチャットツールを活用した議論の習慣が身につき、連携研究は予想以上に進んだ。各測定装置への試料の装着方法など、面着での議論が不可欠な連携は総括班の国内ラボ留学を活用して進めた。界面イオン輸送を阻害する界面副反応相生成についてはそのトリガーの仮説を検証し、それを制御する新規な成膜・焼結手法を早期に見出せたことも予想以上に進展した成果である。このトリガーの理論的検証もA03との連携で進んでいる。
界面イオン蓄積現象については、緩和速度の異なる電荷蓄積現象の存在が見いだされ、標準電池での電気化学評価やA04での結果との相関も認められた。電荷蓄積の高濃度化への基礎的指針が得られつつある。
一方、COVID-19の蔓延に伴う研究時間の不可避な短縮により、単結晶材料合成や原子層制御材料などのモデル基盤材料合成には遅れが生じている。
以上、A01では予想以上に進展した研究が複数あり、連携成果も着実に上がっている。一方で、モデル基盤材料合成に関して遅れも生じている。研究項目による濃淡はあるものの、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。
|
| Strategy for Future Research Activity |
イオン輸送モデル界面の構築と高速化については、電極―固体電解質のイオン輸送抵抗に及ぼす電気的・化学的・力学的・電気化学的因子の詳細を解明する上で有用な単結晶固体電解質を用いた第二世代標準電池の構築を進める。界面での副反応相生成を制御する成膜・焼結プロセスを活用し、界面イオン輸送抵抗を制御する界面構築へと更に先鋭化を進め、その詳細はA02及びA03と連携して更に深く検討を進める。低温での結晶性材料の合成については、従来700℃以上が必要であった焼成温度を400℃程度に低減することに成功したが、さらに低温で合成する手法の検討をすすめる。有電解質電解質を用いた界面イオン輸送抵抗については、無機固体電解質の組成や物性の効果の影響、モデル電極を用いた電荷移動反応過程について検討を行う。
イオン蓄積モデル界面の構築とその高濃度化については、単結晶固体電解質や標準電池をモデル系とし、電池作動環境に近い条件下での直流電圧印加による電荷蓄積状態を熱刺激電流法によって評価し、A02、A03、A04と連携してその蓄積メカニズムを解明するとともに高濃度化を進める。
R3年度までは平衡状態を取り扱うが、R4年度からは非平衡状態の取り扱いも開始する。そのために必要なツール開発の準備もあわせて進めていく。また、遅れが生じているモデル基盤材料合成（原子層材料及び単結晶材料）の合成も引き続き進めていく。
|
