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同位体置換を利用した混合伝導体のリチウム自己拡散係数測定法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 15H03872
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 無機工業材料
研究機関東北大学

研究代表者

桑田 直明  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (00396459)

連携研究者 河村 純一  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (50142683)
宮崎 孝道  東北大学, 工学研究科, 技術職員 (20422090)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2017年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2016年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
2015年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
キーワード混合伝導体 / 拡散係数 / 空孔拡散機構 / LiCoO2 / LiMn2O4 / 二次イオン質量分析 / 全固体電池 / インターカレーション / 同位体交換 / 化学拡散係数 / 化学ポテンシャル / リチウムイオン電池 / 混合導電体 / 固体イオニクス / トレーサー拡散係数 / 薄膜リチウム電池 / 同位体 / 二次電池 / イオニクス / 薄膜電池 / イオン交換 / 固体電解質
研究成果の概要

リチウムイオン電池の正極材料は、イオンと電子が同時に固体中を移動する混合伝導体である。しかし、混合伝導体のリチウム拡散を調べることは困難であり、測定法は確立していなかった。本研究では正極内の6Liが充放電により7Liに置き換わることに着想を得て、二次イオン質量分析(SIMS)を用いた拡散係数測定法の開発と、拡散機構の解明を目的とした。研究の成果として、我々は三種類のイオン交換法を開発し、薄膜のa-Li3PO4、LiMn2O4、LiCoO2の拡散係数および、拡散機構を解明することに成功した。インターカレーション型の正極では、空孔拡散機構で温度・組成依存性が説明できることが明らかになった。

報告書

(4件)
  • 2017 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2016 実績報告書
  • 2015 実績報告書
  • 研究成果

    (40件)

すべて 2018 2017 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 1件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (28件) (うち国際学会 9件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] Institute for Basic Science (IBS)(韓国)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [国際共同研究] Institute for Basic Science (IBS)(韓国)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] Lithium diffusion coefficient in LiMn 2 O 4 thin films measured by secondary ion mass spectrometry with ion-exchange method2018

    • 著者名/発表者名
      Kuwata Naoaki、Nakane Masakatsu、Miyazaki Takamichi、Mitsuishi Kazutaka、Kawamura Junichi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 320 ページ: 266-271

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2018.03.012

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thin-film lithium batteries with 0.3-30 μm thick LiCoO2 films fabricated by high-rate pulsed laser deposition2018

    • 著者名/発表者名
      Matsuda Yasutaka、Kuwata Naoaki、Kawamura Junichi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 320 ページ: 38-44

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2018.02.024

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Milling effect on the local structure, site occupation, and site migration in aluminum substituted lithium manganese oxides2018

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Koichi、Shimokita Kosuke、Sakamoto Yoichi、Koyama Kuniyuki、Moriga Toshihiro、Kuwata Naoaki、Iwai Yoshiki、Kawamura Junichi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 317 ページ: 214-220

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2018.01.019

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrochemical properties of LiCoO2 thin film surface modified by lithium tantalate and lithium niobate coatings2017

    • 著者名/発表者名
      Kato Mikako、Hayashi Tetsutaro、Hasegawa Gen、Lu Xiaoli、Miyazaki Takamichi、Matsuda Yasutaka、Kuwata Naoaki、Kurihara Koji、Kawamura Junichi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 308 ページ: 54-60

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2017.05.008

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-power durability of LiCoO2 thin film electrode modified with amorphous lithium tungsten oxide2017

    • 著者名/発表者名
      Tetsutaro Hayashi, Yasutaka Matsuda, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 354 ページ: 41-47

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2017.04.036

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書 2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lithium diffusion coefficient in amorphous lithium phosphate thin films measured by secondary ion mass spectroscopy with isotope exchange methods2016

    • 著者名/発表者名
      N Kuwata, X Lu, T Miyazaki, Y Iwai, T Tanabe, J Kawamura
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 294 ページ: 59-66

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2016.06.015

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effect of lithium-ion diffusibility on interfacial resistance of LiCoO2 thin film electrode modified with lithium tungsten oxides2016

    • 著者名/発表者名
      Tetsutaro Hayashi, Takamichi Miyazaki, Yasutaka Matsuda, Naoaki Kuwata, Motoaki Saruwatari, Yuki Furuichi, Koji Kurihara, Ryuichi Kuzuo, Junichi Kawamura
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 305 ページ: 46-53

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2015.11.075

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書 2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct measurement of nanoscale lithium diffusion in solid battery materials using radioactive tracer of 8Li2016

    • 著者名/発表者名
      H. Ishiyama, S.C. Jeong, Y.X. Watanabe, Y. Hirayama, N. Imai, H.S. Jung, H. Miyatake, M. Oyaizu, A. Osa, Y. Otokawa, M. Matsuda, K. Nishio, H. Makii, T.K. Sato, N. Kuwata, J. Kawamura, H. Ueno, Y.H. Kim, S. Kimura, M. Mukai
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: - ページ: 379-381

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2015.12.036

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書 2015 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Relationship between structure and mobility of proton carriers injected by electrochemical substitution of sodium ions with protons in 35NaO 1/2-1 WO 3-8NbO 5/2-5LaO 3/2-51PO 5/2-based glasses2016

    • 著者名/発表者名
      Takuya Yamaguchi, Tomohiro Ishiyama, Kanji Sakuragi, Junji Nishii, Toshiharu Yamashita, Hiroshi Kawazoe, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura, Takahisa Omata
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 288 ページ: 281-285

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2016.01.024

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electromotive force measurements of LiCoO2 electrode on a lithium ion-conducting glass ceramics under mechanical stress2016

    • 著者名/発表者名
      Keita Funayama, Takashi Nakamura, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura, Tatsuya Kawada, Koji Amezawa
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 285 ページ: 75-78

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2015.09.009

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書 2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 二次イオン質量分析法によるLixCoO2薄膜のLi自己拡散係数の組成依存性測定2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川源, 桑田直明, 石垣範和, 河村純一
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] LixMn2O4薄膜におけるリチウムイオン拡散係数の組成依存性2017

    • 著者名/発表者名
      前田大輝, 中根正勝, 長谷川源, 石垣範和, 桑田直明, 河村純一
    • 学会等名
      日本物理学会 第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 二次イオン質量分析法によるLixMn2O4薄膜のリチウム拡散係数の組成依存性測定2017

    • 著者名/発表者名
      桑田直明,前田大輝,中根正勝,長谷川源,宮崎孝道,石垣範和,河村純一
    • 学会等名
      第20回 超イオン導電体物性研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 二次イオン質量分析を用いたLiMn2O4薄膜のリチウム拡散係数測定2017

    • 著者名/発表者名
      中根正勝,桑田直明,宮崎孝道,河村純一
    • 学会等名
      第20回 超イオン導電体物性研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 二次イオン質量分析法によるLi脱離LixMn2O4正極のリチウム拡散係数測定2017

    • 著者名/発表者名
      桑田直明,前田大輝,中根正勝,長谷川源,宮崎孝道,河村純一
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 5V級正極LiCoMnO4薄膜の軟X線XAFSによる局所構造解析2017

    • 著者名/発表者名
      石垣範和,山中恵介,桑田直明,河村純一
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] LixCoO2薄膜におけるLi自己拡散係数の組成依存性2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川源,桑田直明,宮崎孝道,石垣範和,河村純一
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 二次イオン質量分析法を用いたLixMn2O4薄膜のリチウム拡散係数の測定2017

    • 著者名/発表者名
      桑田 直明、前田 大輝、中根 正勝、長谷川 源、宮崎 孝道、河村 純一
    • 学会等名
      第58回 電池討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] LixCoO2薄膜におけるLi自己拡散係数の組成依存性2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川源,桑田直明,宮崎孝道,石垣範和,河村純一
    • 学会等名
      電気化学会東北支部 第30回 東北若手の会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] LixMn2O4薄膜におけるリチウム拡散係数の組成依存性2017

    • 著者名/発表者名
      前田大輝、中根正勝、長谷川源、宮崎孝道、石垣範和、桑田直明、河村純一
    • 学会等名
      第43回 固体イオニクス討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] LixCoO2薄膜におけるLi自己拡散係数の組成依存性2017

    • 著者名/発表者名
      長谷川源、桑田直明、宮崎孝道、石垣範和、河村純一
    • 学会等名
      第43回 固体イオニクス討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 薄膜電池にみる固体電池の材料化学: 5Vリチウム電池と自己拡散係数2017

    • 著者名/発表者名
      桑田 直明,河村 純一
    • 学会等名
      第 99回 新電池構想部会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Lithium Diffusion Coefficient of Thin-Film Lithium Battery Materials Measured by Secondary Ion Mass Spectrometry2017

    • 著者名/発表者名
      Naoaki Kuwata, Xiaoli Lu, Masakatsu Nakane, Gen Hasegawa, Daiki Maeda, Takamichi Miyazaki, Junichi Kawamura
    • 学会等名
      21th International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 5 V all-solid-state thin-film battery with LixCoMnO4 prepared by PLD and post annealing2017

    • 著者名/発表者名
      Norikazu Ishigaki, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
    • 学会等名
      21th International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-Rate Pulsed Laser Deposition for Thin-Film Solid-State Battery2017

    • 著者名/発表者名
      Naoaki Kuwata, Yasutaka Matsuda, Junichi Kawamura
    • 学会等名
      21th International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Composition dependence of Li self-diffusion coefficient in LixCoO2 thin films measured by secondary ion mass spectrometry2017

    • 著者名/発表者名
      Gen Hasegawa, Naoaki Kuwata, Takamichi Miyazaki, Rie Shishido, Norikazu Ishigaki, Junichi Kawamura
    • 学会等名
      21th International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Lithium Tracer Diffusion Coefficients in LixMn2O4 thin films2017

    • 著者名/発表者名
      Daiki Maeda, Masakatsu Nakane, Gen Hasegawa, Norikazu Ishigaki, Takamichi Miyazaki, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura
    • 学会等名
      21th International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二次イオン質量分析を用いたa-Li3PO4薄膜のリチウム拡散係数測定2016

    • 著者名/発表者名
      桑田直明, 芦小麗, 宮崎孝道, 河村純一
    • 学会等名
      第42回固体イオニクス討論会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-12-05
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] SIMSを用いたa-Li3PO4薄膜のリチウムトレーサー拡散係数測定2016

    • 著者名/発表者名
      桑田直明, 芦小麗, 宮崎孝道, 岩井良樹, 河村純一
    • 学会等名
      第57回電池討論会
    • 発表場所
      幕張メッセ国際会議場(千葉県千葉市)
    • 年月日
      2016-11-29
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Electrochemical Property of LiCoMnO4 Cathode Thin Film Prepared By PLD and Oxygen Post Annealing2016

    • 著者名/発表者名
      N. Ishigaki, N. Kuwata, J. Kawamura
    • 学会等名
      PRiME 2016 / 230th ECS Meeting
    • 発表場所
      Hawaii (USA)
    • 年月日
      2016-10-02
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Lithium Diffusion Coefficient of Amorphous Lithium Phosphate Thin Films Measured By Secondary Ion Mass Spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      X. Lu, N. Kuwata, T. Miyazaki, J. Kawamura
    • 学会等名
      PRiME 2016 / 230th ECS Meeting
    • 発表場所
      Hawaii (USA)
    • 年月日
      2016-10-02
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二次イオン質量分析とマスク法によるa-Li3PO4のリチウム拡散係数測定2016

    • 著者名/発表者名
      桑田直明, 芦小麗, 宮崎孝道, 岩井良樹, 河村純一
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 二次イオン質量分析法によるLiCoO2薄膜のリチウム拡散係数測定2015

    • 著者名/発表者名
      桑田直明, 西尾仁志, 宮崎孝道, 河村純一
    • 学会等名
      第41回 固体イオニクス討論会
    • 発表場所
      北海道札幌市、北海道大学工学部フロンティア応用科学研究棟
    • 年月日
      2015-11-25
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 高速PLD製膜LiCoO2正極を用いた全固体薄膜リチウム電池の特性2015

    • 著者名/発表者名
      松田康孝, 桑田直明, 河村純一
    • 学会等名
      第41回 固体イオニクス討論会
    • 発表場所
      北海道札幌市、北海道大学工学部フロンティア応用科学研究棟
    • 年月日
      2015-11-25
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] パルスレーザー堆積法による全固体リチウム電池の高速製膜2015

    • 著者名/発表者名
      桑田 直明, 松田 康孝, 河村 純一
    • 学会等名
      第56回 電池討論会
    • 発表場所
      愛知県名古屋市、愛知県産業労働センター ウインクあいち
    • 年月日
      2015-11-11
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Solid-state Lithium Batteries with Thin-Film Amorphous Electrolyte2015

    • 著者名/発表者名
      Naoaki Kuwata
    • 学会等名
      Twelfth International Conference on Flow Dynamics
    • 発表場所
      Sendai, Sendai international center
    • 年月日
      2015-10-27
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 二次イオン質量分析法を用いたLiCoO2薄膜のリチウム拡散係数測定2015

    • 著者名/発表者名
      桑田直明, 西尾仁志, 宮崎孝道, 河村純一
    • 学会等名
      日本物理学会 2015年秋季大会
    • 発表場所
      大阪府吹田市、関西大学千里山キャンパス
    • 年月日
      2015-09-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] In Situ Raman Spectroscopy of Thin-Film Battery Li/Li3PO4/LiMn2O4 Using a Transparent Electrode2015

    • 著者名/発表者名
      Naoaki Kuwata, Tatsunori Okawa, Yasutaka Matsuda, Osamu Kamishima and Junichi Kawamura
    • 学会等名
      20th International Conference on Solid State Ionics (SSI-20)
    • 発表場所
      Keystone, Colorado, USA
    • 年月日
      2015-06-14
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2015-04-16   更新日: 2022-08-30  

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