| 研究領域 | 蓄電固体デバイスの創成に向けた界面イオンダイナミクスの科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
19H05814
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
雨澤 浩史 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90263136)
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| 研究分担者 |
桑田 直明 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, 主幹研究員 (00396459)
石黒 志 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 助教 (20752455)
尾原 幸治 島根大学, 学術研究院機能強化推進学系, 教授 (00625486)
森 茂生 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (20251613)
熊谷 明哉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任研究員 (50568433)
池田 一貴 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 研究員 (80451615)
山本 和生 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主席研究員 (80466292)
高橋 幸生 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (00415217)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
371,670千円 (直接経費: 285,900千円、間接経費: 85,770千円)
2023年度: 73,190千円 (直接経費: 56,300千円、間接経費: 16,890千円)
2022年度: 73,190千円 (直接経費: 56,300千円、間接経費: 16,890千円)
2021年度: 69,420千円 (直接経費: 53,400千円、間接経費: 16,020千円)
2020年度: 69,420千円 (直接経費: 53,400千円、間接経費: 16,020千円)
2019年度: 86,450千円 (直接経費: 66,500千円、間接経費: 19,950千円)
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| キーワード | 蓄電固体界面 / イオン輸送特性 / 蓄電特性 / 最先端計測 / 統合利用 / 高度計測 / 固体イオニクス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
蓄電固体材料から構成されるヘテロ/ホモ界面では、バルクとは異なる特異なイオン輸送、蓄積特性が観測されている。これらは、蓄電固体界面近傍で局所的に生じる物理化学状態（イオン濃度・価数、化学ポテンシャル、電位、結晶/非晶質構造、歪など）の変調・分布が複雑に絡み合って発現すると考えられているが、その支配因子はほとんど理解されていない。本研究では、様々な最先端計測技術を結集し、蓄電固体界面近傍における各種物理化学状態の変調・分布を多角的に実測し、これらの知見を総合的、網羅的に融合することで、蓄電固体界面の物理化学的状態と特性を体系的に扱うことのできる新しい学理の構築へと繋げる。
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| 研究実績の概要 |
蓄電固体界面で観測される特異なイオン輸送、蓄積特性は、界面近傍で局所的に生じる様々な物理化学状態の変調・分布が複雑に絡み合って発現すると考えられているが、その支配因子はほとんど理解されていない。本研究では、様々な最先端計測技術を結集し、蓄電固体界面近傍における各種物理化学状態の変調・分布を多角的に実測し、これらの知見を総合的、網羅的に融合することで、蓄電固体界面の物理化学的状態とイオン輸送、蓄積特性の相関を体系的に理解する新しい学理の構築へと繋げることを目的としている。
今年度は、前年度までに引き続き、固体電解質LATP上に成膜したLiCoO2薄膜を蓄電固体界面の共通モデルヘテロ界面試料、硫化物系ガラスセラミックス電解質を蓄電固体界面の共通モデルホモ界面試料とし、各種高度計測手法を適用し、界面評価を実施した。ヘテロ界面については、X線吸収分光、STEM／電子線ホログラフィー、電気化学プローブ顕微鏡による界面評価をオペランドで実施した。その結果、ヘテロ界面に電圧が印加された際の、電極、電極近傍の固体電解質における化学／電子状態の変調およびその分布を実測することに成功した。一方、ホモ界面については、X線、中性子線、電子線全散乱計測ならびにその二体分布関数（PDF）解析手法を適用し、それぞれの手法から得られた結果を相補的に検討することで、非晶・結晶が混在する蓄電固体材料の局所構造評価が可能になった。これにより、硫化物系ガラスセラミックスにおける特異なイオン伝導度が局所構造に影響を受けることを明らかにした。一方、同位体交換によるトレーサー拡散、NMRによる拡散測定から、蓄電固体における長距離拡散、粒界拡散、に関する情報を得る手法を確立した。さらに、タイコグラフィXAFS法を用いた正極活物質粒子の構造、化学状態の不均一性を可視化することに成功した
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
蓄電固体界面の高度計測を担当する本研究では、本年度までに、(1)参画研究者等のもつ各種計測技術を蓄電固体界面評価のために高度化すること、(2)開発された技術を適用し、蓄電固体界面においてイオン輸送・蓄積特性に特に大きく影響を及ぼすと考えられる化学因子、電気・電気化学因子、構造因子など、蓄電固体界面における物理化学因子を、定常状態において実測することを目標に掲げていた。その結果、複数の高度計測技術（X線吸収分光XAFS、STEM／電子線ホログラフィー、電気化学プローブ顕微鏡、X線・中性子線・電子線全散乱、タイコグラフィXAFS、TOF-SIMSなど）を、本新学術領域内で選定されたいくつかのモデル界面（共通試料）の局所状態評価に統合利用することに成功し、蓄電固体界面の多角的に検討することを可能とした。また、いくつかの手法については、蓄電固体デバイスが作動する特殊環境下でのオペランド計測も可能となった。特に、昨年度から新たに公募研究として加わったグループと連携し、計画研究だけでは明らかにすることが困難と考えられた物理化学因子の評価が可能な体制を整えた。以上の手法は、A01班（界面構築），A04班（機能開拓）で作製された、共通モデルヘテロ界面試料（固体電解質LATP上に成膜したLiCoO2薄膜を蓄電固体界面），共通モデルホモ界面試料（硫化物系ガラスセラミックス電解質）に対して適用された。さらに、昨年度から開始した、物理化学因子の局所状態と蓄電固体界面におけるイオン輸送、反応活性との相関についての考察を深化させることにも成功した。
以上から，本研究は当初の予定通り，おおむね順調に進展していると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度までの研究において、各種計測技術（X線吸収分光XAFS，STEM／電子線ホログラフィー、電気化学プローブ顕微鏡、X線・中性子線・電子線全散乱、タイコグラフィXAFS、TOF-SIMSなど）を蓄電固体界面分析のために高度化し、同界面における化学因子、電気・電気化学因子、構造因子等、各種物理化学因子を多角的に検討する体制を整えることができた。昨年度より、モデルヘテロ界面試料（固体電解質LATP上に成膜したLiCoO2薄膜），モデルホモ界面試料（硫化物系ガラスセラミックス電解質）を主たる対象として、多角計測を実際に開始した。今後も、これらモデル界面の様々な条件下（例えば、充放電反応進行時など）における計測を継続し、蓄電固体界面で観測される特異なイオン輸送、蓄積特性との相関を検討していく。また今年度は、計測を通して得られる蓄電固体界面の物理化学因子の局所状態をA03班（計算・データ科学）と情報共有し、蓄電固体界面の理論計算を開始した。こちらも継続し、蓄電固体界面を体系的に理解する理論の構築を行っていく。
一方、これまでの研究では、主に平衡もしくは定常状態にある蓄電固体界面を計測の対象としてきた。しかし、蓄電固体界面におけるイオン輸送・蓄積を真に理解するためには、これだけでは不十分で、例えば電圧印加時における物理化学因子の過渡応答を理解する必要がある。このためには、現状の計測技術およびその解析手法をさらに高度化し、特に時間分解を持たせた計測も必要となってくる。次年度は、このような計測に向け、これまでに開発された高度計測ををさらに改良する。次年度には公募研究グループの入れ替えも予定されており、これらのグループとも連携を図り、、その改良を加速させる。
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