理想界面を用いた高温イオニクスデバイスヘテロ界面構造の解明と高活性電極の創製

• 研究課題/領域番号: 11J01074
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 公益財団法人高輝度科学研究センター (2012); 京都大学 (2011)
• 研究代表者: 伊奈 稔哲 公益財団法人高輝度科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員
• 研究期間 (年度): 2011 – 2012
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円); 2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
• キーワード: 高温電気化学デバイス / 電極反応機構解明 / 混合導電性材料

研究概要

本年度は、電極/電解質の界面構造を明らかにして、イオン移動現象に寄与する諸性質(空間電荷層、力学的歪み等)の寄与を明確にする。これらを組み合わせて、高温電気デバイスの高性能カソード設計指針を得ることを目指す。
格子間酸素系混合導電性材料に対してさらに、酸化物イオン伝導は酸化物イオン伝導経路上の一番断面積の小さい領域であるボトルネックの大きさにより決定されていることが分かった。表面交換反応係数と酸化物イオン導電率に強い相関が得られたことから、バルクサンプルにおいて表面反応速度を向上させるには、酸化物イオン伝導のボトルネックサイズの変化が有効であることが分かった。
電解質/電極ヘテロ接触界面におけるミスマッチを利用した、力学的な変調によりボトルネックサイズを制御することで、電極特性の向上を狙った。単一配向ナノ薄膜に対するin situ XAFS測定から、力学変調により、易動度とキャリアイオン濃度の制御が可能であることが分かった。さらに、圧縮応力ではなく引っ張り応力を用いることによって、高い活性を示す電極の作製が期待できることが示された。
酸化物のヘテロ接触界面近傍における材料の状態をより詳細に直接観察する分析手法として、電極内部の深さ方向への分解能を有する深さ分解in situ XAFS測定に着目し、単一配向ナノ薄膜の解析に適用した。深さ分解XAFS測定により、基板からの圧縮応力がかかる系では、格子のミスマッチは基板との界面において最も顕著であり、基板から離れるにつれて構造歪が緩和されることが明らかになった。
以上より、格子間酸素系混合導電性電極の電極特性は格子のミスマッチを利用することで制御できることが明らかとなった。ボトルネックサイズを広げる方向に応力がかかるようにすれば高性能電極が得られると予想される。

研究成果

• [雑誌論文] Charge compensation mechanisms in Li_<1.16>Ni_<0.15>Co_<0.19>Mn_<0.50>O_2 positive electrode material for Li-ion batteries analyzed by a combination of hard and soft X-ray absorption near edge structure (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Oishi, T. Fujimoto, Y. Takanashi, Y. Orikasa, A. Kawamura, T. Ina, H. Yamashige, D. Takamatsu, K. Sato, H. Murayama, H. Tanida, H. Arai, H. Ishii, C. Yogi, I. Watanabe, T. Ohta, A. Mineshige, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 222 ページ: 45-51
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.08.023
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray absorption spectroscopic study on La_<0.6>Sr_<0.4>CoO_<3-δ> cathode materials related with oxygen vacancy formation (2011)
  • 著者名/発表者名: 折笠有基, 伊奈稔哲, 中尾孝之, 嶺重温, 雨澤浩史, 大石正嗣, 荒井創, 小久見善八, 内本喜晴
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 115 号: 33 ページ: 16433-16438
  • DOI: 10.1021/jp2029642
  • 査読あり
• [雑誌論文] An X-ray absorption spectroscopic study on mixed conductive La_<0.6>Sr_<0.4>Co_<0.8>Fe_<0.2>O_<3-δ> cathodes. I. Electrical conductivity and electronic structure (2011)
  • 著者名/発表者名: 折笠有基, 伊奈稔哲, 中尾孝之, 嶺重温, 雨澤浩史, 大石正嗣, 荒井創, 小久見善八, 内本喜晴
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 13 ページ: 16637-16643
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local structural analysis for oxide ion transport in La_<0.6>Sr_<0.4>CoO_<3-δ> cathodes (2011)
  • 著者名/発表者名: 折笠有基, 中尾孝之, 大石正嗣, 伊奈稔哲, 嶺重温, 雨澤浩史, 荒井創, 小久見善八, 内本喜晴
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry 巻: 21 ページ: 14013-14019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Depth-resolved X-ray absorption spectroscopic study on nanoscale observation of the electrode-solid electrolyte interface for all solid state lithium ion batteries (2011)
  • 著者名/発表者名: 奥村豊旗, 中堤貴之, 伊奈稔哲, 折笠有基, 荒井創, 福塚友和, 入山恭寿, 宇留賀朋哉, 谷田肇, 内本喜晴, 小久見善八
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry 巻: 21 ページ: 10051-10060
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of lithium ion conductivity for A-site disordered lithium lanthanum titanate perovskite oxides by fluoride ion substitution (2011)
  • 著者名/発表者名: 奥村豊旗, 伊奈稔哲, 折笠有基, 荒井創, 内本喜晴, 小久見善八
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry 巻: 21 ページ: 10061-10068
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of average and local structures on lithium ion conductivity in La_<2/3-x>Li_<3x>TiO_3 (2011)
  • 著者名/発表者名: 奥村豊旗, 伊奈稔哲, 折笠有基, 荒井創, 内本喜晴, 小久見善八
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry 巻: 21 ページ: 10195-10205
  • 査読あり
• [学会発表] Phase Transformation Mechanism during Cycling of Li_2FeSiO_4 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. N. Masese, H. Arai, Y. Orikasa, T. Ina, C. Tassel, K. Nakanishi, T. Ohta, K. Hiroshi, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • 学会等名: PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii
  • 年月日: 2012-10-08
• [学会発表] Depth-Resolved X-ray Absorption Spectroscopic Study on Nanoscale Observation of the Electrode-Electrolyte Interface for All Solid State Lithium-Ion Batteries (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Ina, T. Okumura, T. Nakatsutsumi, Y. Orikasa, H. Arai, Y. Iriyma, T. Uruga, H. Tanida, Z. Ogumi, Y. Uchimoto
  • 学会等名: PACIFIC RIM MEETING ON ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE SCIENCE 2012
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii
  • 年月日: 2012-10-08
• [学会発表] 高温電解系における格子間酸素系カソード材料の点欠陥構造と反応活性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 伊奈稔哲, 折笠有基, 内本喜晴
  • 学会等名: 第35回電解技術討論会
  • 発表場所: 同志社大学
  • 年月日: 2011-11-15
• [学会発表] Oxygen Chemical Potential Profile of SOFC Cathode by in-situ Depth Resolved XAS Measurement (2011)
  • 著者名/発表者名: 伊奈稔哲, 中尾孝之, 折笠有基, 谷田肇, 宇留賀朋哉, 雨澤浩史, 嶺重温, 内本喜晴
  • 学会等名: International Symposium on Renewable Energy & Materials Tailoring
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2011-09-18
• [学会発表] Oxygen Chemical Potential Profile of SOFC Cathode by in-situ Depth Resolved XAS Measurement (2011)
  • 著者名/発表者名: 伊奈稔哲, 中尾孝之, 折笠有基, 谷田肇, 宇留賀朋哉, 雨澤浩史, 嶺重温, 内本喜晴
  • 学会等名: 62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2011-09-13
• [学会発表] 深さ分解XAFS法による高温系電気化学反応解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 伊奈稔哲, 折笠有基, 内本喜晴
  • 学会等名: 第21回電極材料研究会
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2011-07-29
• [備考]
  • URL: http://www.uchimoto.jinkan.kyoto-u.ac.jp/