次世代二次電池のためのソフト巨大クロソイオンを活用した高速イオン伝導体の開発

• 研究課題/領域番号: 18H03832
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分26:材料工学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高村 仁 東北大学, 工学研究科, 教授 (30250715)
• 研究分担者: 及川 格 東北大学, 工学研究科, 助教 (40733134) ; 松尾 元彰 関西学院大学, 理工学部, 准教授 (20509038)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 42,770千円 (直接経費: 32,900千円、間接経費: 9,870千円); 2022年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2021年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2020年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2019年度: 12,350千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 2,850千円); 2018年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
• キーワード: リチウムイオン伝導体 / 全固体電池 / 高圧合成 / 固体NMR / イオン伝導体 / リチウムイオン伝導 / セラミックス材料 / クロソイオン / 核磁気共鳴 / リチウム二次電池

研究成果の概要

本課題は、[B12H12]2-なる巨大なクロソイオンを含むリチウムイオン伝導体に着目し、その特性向上や伝導機構の理解を深めることを目的としている。LiBH4とB10H14を原料として、高圧合成法によりLi2B12H12を作製した。原料比の調整や、Ti金属を水素吸収剤として利用することで、不定比や水素欠損を有する試料が作製できた。また、Mg2+、Ca2+、さらには巨大な有機イオンであるメチルアンモニウムイオン(CH3NH3+)の置換も可能であった。これら材料のイオン伝導性を評価し、化学的両立性を有する電極材料・保護層の探索や、酸化物と複合化され室温成型可能な固体電解質も検討した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高圧合成により新たなリチウムイオン伝導体を合成した。特に、巨大なクロソイオンを含む材料系で、種々の置換が可能であり、それが不定比性、構造、伝導度に及ぼす影響を明らかにできたことに学術的意義がある。社会的意義としては、固体電解質として全固体電池への適用を目指し、周辺材料（化学的両立性をもつ電極や保護層）の検討を行い、酸化物系で焼結がいらない複合体型電解質を提案したことがあげられる。

研究成果

• [国際共同研究] University of Washington/Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [雑誌論文] Sintering-free preparation of Li7La3Zr2O12-LiBH4-based solid-state electrolytes and their electrical conductivities (2023)
  • 著者名/発表者名: Youtaro Sakamoto, Akihiro Ishii, Takashi Shiratori, Itaru Oikawa, Hitoshi Takamura
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 巻: 457 ページ: 142488-142488
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2023.142488
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insight into low-temperature sintering of samarium-doped ceria mixed with scavenging lithium (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishii Akihiro、Ishijima Hibiki、Kobayashi Kosei、Oikawa Itaru、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 224 ページ: 117529-117529
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117529
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antireflective black coatings comprised of Ag?Fe?O thin films with high electrical resistivity (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Mina、Ishii Akihiro、Oikawa Itaru、Yamazaki Yusuke、Imura Masaaki、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 10 号: 3 ページ: 031102-031102
  • DOI: 10.1063/5.0081463
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Heat-Resistant Black Insulative Thin Films for Flat-Panel Displays in Al-Doped Ag?Fe?O Systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Mina、Ishii Akihiro、Oikawa Itaru、Yamazaki Yusuke、Imura Masaaki、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 13 号: 48 ページ: 57971-57980
  • DOI: 10.1021/acsami.1c17599
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydride-based antiperovskites with soft anionic sublattices as fast alkali ionic conductors. (2021)
  • 著者名/発表者名: Shenghan Gao, Thibault Broux, Susumu Fujii, Cedric Tassel, Kentaro Yamamoto, Yao Xiao, Itaru Oikawa, Hitoshi Takamura, Hiroki Ubukata, Yuki Watanabe, Kotaro Fujii, Masatomo Yashima, Akihide Kuwabara, Yoshiharu Uchimoto, Hiroshi Kageyama
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 201-201
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20370-2
  • NAID: 120006954090
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Black titanium oxynitride thin films prepared by nitrogen plasma-assisted pulsed laser deposition for flat-panel displays (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Mina、Ishii Akihiro、Oikawa Itaru、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 534 ページ: 147616-147616
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.147616
  • 査読あり
• [雑誌論文] Catalytic activity for dissociative oxygen adsorption of Co-based oxides at high temperature evaluated by a modified pulse isotopic exchange technique (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomura Yuto、Tazawa Toma、Oikawa Itaru、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 8 号: 41 ページ: 21634-21641
  • DOI: 10.1039/d0ta04747c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optically Black and Electrically Insulating Ag?Fe?O‐Based Thin Films for Touch Panel Displays (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii Akihiro、Yamaguchi Mina、Oikawa Itaru、Yamazaki Yusuke、Imura Masaaki、Kanai Toshimasa、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: physica status solidi (RRL) ? Rapid Research Letters 巻: 14 号: 8 ページ: 2000160-2000160
  • DOI: 10.1002/pssr.202000160
  • 査読あり
• [雑誌論文] Negative Knight Shift in Ba-Ti Oxyhydride: An Indication of the Multiple Hydrogen Occupation (2019)
  • 著者名/発表者名: Misaki Tai、Oikawa Itaru、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 31 号: 18 ページ: 7178-7185
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b01434
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of electrochemical reduction behavior in nonequilibrium Al-doped TiO2 thin films (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishii Akihiro、Oikawa Itaru、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 126 号: 21 ページ: 215108-215108
  • DOI: 10.1063/1.5123408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen vacancy order-disorder transition at high temperature in Bi-Sr-Fe-based perovskite-type oxides (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomura Yuto、Oikawa Itaru、Takamura Hitoshi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 号: 12
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.125802
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large and constant absorption coefficient in NbxTi1-xO2 thin films throughout the visible range (2019)
  • 著者名/発表者名: Adam E. Shimabukuro, Akihiro Ishii, Itaru Oikawa, Yusuke Yamazaki, Masaaki Imura, Toshimasa Kanai, Fumio S. Ohuchi, Hitoshi Takamura
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 464 ページ: 61-67
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.09.036
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stabilizing Coexisting n-Type Electronic and Oxide Ion Conductivities in Donor-Doped Ba-In-Based Oxides under Oxidizing Conditions: Roles of Oxygen Disorder and Electronic Structure (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukio Cho, Masayuki Ogawa, Itaru Oikawa, Harry L. Tuller, Hitoshi Takamura
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 31 号: 8 ページ: 2713-2722
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03818
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 室温成型可能なLiBH4-Li7La3Zr2O12複合体型固体電解質の作製 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂本 陽太郎, 石井 暁大, 及川 格, 高村 仁
  • 学会等名: 2022年電気化学秋季大会
• [学会発表] CH3NH3+添加Li2B12H12の高圧合成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 〇河合 理来、石井 暁大、及川 格、高村 仁
  • 学会等名: 2021年電気化学秋季大会
• [学会発表] Multiple-Hydrogen Occupation in Ba-Ti Oxyhydrides (2019)
  • 著者名/発表者名: Tai Misaki, Itaru Oikawa, Hitoshi Takamura
  • 学会等名: Petitie Workshop on the Defect-Chemical Nature of Solids
  • 国際学会
• [学会発表] PLD法による高導電性TiO2薄膜の作製とその電気化学的特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山口実奈、及川 格、高村 仁
  • 学会等名: 第57回セラミックス基礎科学討論会
• [学会発表] 水素化物系イオン伝導体の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高村 仁
  • 学会等名: 中性子産業利用推進協議会 平成30年度電池材料研究会
  • 招待講演