| 研究課題/領域番号 |
21K04700
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26040:構造材料および機能材料関連
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| 研究機関 | 関西学院大学 |
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研究代表者 |
松尾 元彰 関西学院大学, 工学部, 准教授 (20509038)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 固体電解質 / イオン伝導 / 水素化物 / 水素 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
リチウムイオン二次電池を代表とする蓄電池の更なるエネルギー密度/出力密度向上のために、従来の有機溶媒系電解液に替わり得る電気化学的安定性に優れた非溶媒系固体電解質（イオン伝導体）の開発が強く望まれている。本研究では、リチウム／ナトリウム超イオン伝導機能を有するクロソ系錯体水素化物（Na2B12H12などの固体試料）に対して、含有する水素密度を最適化することにより、イオン伝導特性の改善に取り組む。
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| 研究実績の概要 |
リチウムイオン電池のさらなる高エネルギー密度化のために、従来の有機溶媒系電解液に替わり得る非溶媒系の固体電解質の開発が強く望まれている。本課題ではクロソ型錯イオンを有する水素化物であるLi2B12H12、Na2B10H10、Na2B12H12を対象として、固体電解質としての開発に取り組んでいる。これらの水素化物はいずれも構造相転移に伴って超イオン伝導を示すものの、構造相転移温度（Li2B12H12：360℃、Na2B10H10：110℃、Na2B12H12：260℃）以下での非超イオン伝導相ではイオン伝導率が極端に低いため、固体電解質と応用するためには構造相転移温度以下でのイオン伝導特性を改善することが課題となる。それに対して、水素化物中の水素量を制御することで構造相転移温度を低下させる、あるいは非超イオン伝導相のイオン伝導特性を向上できないか検討を行ってきた。これまでに、いずれの水素化物においても（i）部分的に脱水素化した試料が合成可能であること、(ii)構造相転移温度が低下すること、（iii）非超イオン伝導相のイオン伝導特性を向上すること、などを明らかにした。
2022年度は、Na2B10H10およびNa2B12H12のイオン伝導特性をさらに改善すること、またそれらを固体電解質として用いた全固体電池を作製することを目的として研究を進めた。得られた主な結果は以下の通りである。
(1) 部分脱水素化を施したNa2B10H10とNa2B12H12に対してNaNH2と複合化することで、イオン伝導率が約10倍向上した。
(2)TiS2（正極）、NaSn（負極）、クロソ系錯体水素化物（固体電解質）から構成される全固体電池を作製し、その充放電特性を評価した。Na2B10H10を固体電解質として用いた場合に、理論値に対して約70%の充放電容量で安定した繰り返し動作を確認することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
実験計画では主に
（1）部分脱水素化を施したLi2B12H12、Na2B10H10、Na2B12H12に対して構造をin-situ温度可変のX線回折により評価し、それぞれの試料が元の構造を維持したままどの程度の部分脱水素化が可能であるか、すなわち水素密度の適正範囲を見極める
（2）雰囲気制御しながら500℃までの測定に使用可能であるインピーダンス測定容器を作製し、水素放出に伴うイオン伝導特性の変化をin-situ観測するとともに、構造相転移後の超イオン伝導相のイオン伝導特性を明らかにする
ことを掲げていた。(1)に関しては装置の不具合、(2)については測定容器を作製したものの有効なデータを取得するためには設計改良が必要となったため、どちらも想定通りには遂行できなかった。そのため、計画を一部変更して、全固体電池の作製とその充放電特性評価を実施した。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度は2022年度に実施できなかった計画を含めて以下の研究に取り組む。
・得られた試料の構造をin-situ温度可変のX線回折により評価する。それぞれの試料が元の構造を維持したままどの程度の部分脱水素化が可能であるか、すなわち水素密度の適正範囲を見極める。
・現状のインピーダンス測定セットアップでは、測定最高温度が160℃までである。より広い温度範囲で詳細にイオン伝導特性を評価するために、雰囲気制御しながら500℃までの測定に使用可能であるインピーダンス測定容器を作製する。水素放出に伴うイオン伝導特性の変化をin-situ観測するとともに、構造相転移後の超イオン伝導相のイオン伝導特性を明らかにする。
・in-situ 温度可変のNMR測定を行い、クロソイオンの再配向運動の頻度および活性化エネルギーを求め、イオン伝導特性との相関について考察する。
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