リチウムイオンポリマー電池素子を用いた遷移金属酸化物の物性制御

• 研究課題/領域番号: 23684022
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物性Ⅱ
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 小林 航 筑波大学, 数理物質系, 助教 (70434313)
• 研究協力者: 守友 浩 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00283466) ; 柴田 恭幸 筑波大学, 数理物質系, 研究員 (30758264)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 27,950千円 (直接経費: 21,500千円、間接経費: 6,450千円); 2014年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2013年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円); 2012年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2011年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
• キーワード: 強相関電子 / ナトリウムイオン電池 / 酸化物エレクトロニクス / ナノエレクトロニクス / 薄膜 / 超伝導 / イオン拡散 / 高速充放電 / リチウムイオン二次電池

研究成果の概要

遷移金属酸化物にイオンを脱離挿入することで実現する革新的なエネルギー材料の開発を目的に研究を行いました。その結果、(1)従来高速充放電が不可能だと考えられていたナトリウムイオン電池が高速充放電できることを薄膜電極の拡散係数測定により明らかにしました。(2)高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+dにLiイオンを挿入することで超伝導転移温度を75 Kから90 Kまで増大させることに成功しました。(3)イオンの酸化還元反応を利用する新しい熱電変換方式の発明を行いました。

研究成果

• [雑誌論文] Fast discharge process of layered cobalt oxides due to high Na+ diffusion (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, Y. Fukuzumi, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 5 号: 1 ページ: 9006-9006
  • DOI: 10.1038/srep09006
  • NAID: 120007130325
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Erratum: "Sodium Ion Diffusion in Layered NaxCoO2 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 号: 2 ページ: 029201-029201
  • DOI: 10.7567/apex.8.029201
  • NAID: 210000137413
  • 査読あり
• [雑誌論文] Erratum: "Sodium ion diffusion in layered NaxMnO2 (0.49<= x <=0.75): Comparison with NaxCoO2 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 号: 2 ページ: 029202-029202
  • DOI: 10.7567/apex.8.029202
  • NAID: 210000137414
• [雑誌論文] Ionic model approach to battery voltage of NaMO2 (2014)
  • 著者名/発表者名: W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 83 号: 10 ページ: 104712-104712
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.104712
  • NAID: 210000133312
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sodium ion diffusion in layered NaxMnO2 (0.49<= x <=0.75): Comparison with NaxCoO2 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 7 号: 6 ページ: 067101-067101
  • DOI: 10.7567/apex.7.067101
  • NAID: 210000137146
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal response of sodium ion state in NaMO2 (M=Cr and Fe) (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Tanabe, T. Shimono, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: Physica Status Solidi (RRL) 巻: 8 号: 3 ページ: 287-287
  • DOI: 10.1002/pssr.201308295
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Response of P2-Type NaxMnO2 against Na+ Intercalation (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimono, D. Tanabe, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 82 号: 8 ページ: 83601-83601
  • DOI: 10.7566/jpsj.82.083601
  • NAID: 210000132673
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sodium ion diffusion in NaxCoO2 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 6 号: 9 ページ: 97101-97101
  • DOI: 10.7567/apex.6.097101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Na-site energy of P2-type NaxMO2 (M=Mn and Co) (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Tanabe, T. Shimono, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: Physica Status Solidi (RRL) 巻: 7 号: 12 ページ: 1097-1097
  • DOI: 10.1002/pssr.201308101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic State of NaxMO2 (M = Mn and Co) against x (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimono, D. Tanabe, W. Kobayashi, H. Nitani, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 82 号: 12 ページ: 124717-124717
  • DOI: 10.7566/jpsj.82.124717
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic rapid Na+ intercalation observed in NaxCoO2 thin film (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, W. Kobayashi, and Y. Moritomo
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 3 号: 3 ページ: 32104-32104
  • DOI: 10.1063/1.4794719
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemical lithium intercalation into Bi2Sr2CaCu2O8+d (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimono
  • 雑誌名: J. Phys.:Conf. Ser. 巻: 428 ページ: 12021-12021
  • DOI: 10.1088/1742-6596/428/1/012021
  • 査読あり
• [学会発表] P2型NaxMO2の結晶構造の温度依存性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 赤羽 隆弘、柳田 歩、小林 航、守友 浩
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] P2型NaxCoO2薄膜電極の放電曲線のレート依存性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 柳田 歩、柴田 恭幸、小林 航、守友 浩
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] NaxMO2 (M=Co, Mn)薄膜における電気化学特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田恭幸、小林 航、守友浩
  • 学会等名: 第55回電池討論会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市）
  • 年月日: 2014-11-19 – 2014-11-21
• [学会発表] イオンモデルによるO3型層状酸化物の電位の考察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林 航、守友浩
  • 学会等名: 第55回電池討論会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市）
  • 年月日: 2014-11-19 – 2014-11-21
• [学会発表] O3型NaCoO2薄膜の電気化学特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田恭幸、小林 航、守友浩
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 遷移金属酸化物へのリチウムドーピングによる物性制御 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林航
  • 学会等名: 第1回連携研究会(筑波大学・KEK連携事業)
  • 発表場所: 筑波大学
  • 年月日: 2011-10-01
• [学会発表] NaxMnO2におけるナトリウムイオン拡散
  • 著者名/発表者名: 柴田恭幸、小林 航、守友浩
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学
• [学会発表] NaxMn0.5Co0.5O2のナトリウム濃度と結晶構造
  • 著者名/発表者名: 下野貴弘,赤羽隆弘, 棚辺大輝,小林 航, 守友浩
  • 学会等名: 日本物理学会 第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学平塚キャンパス
• [学会発表] Na0.7Mn0.5M0.5O2(M=Co,Fe)の構造解析
  • 著者名/発表者名: 小林 航, 赤羽隆弘, 棚辺大輝, 下野貴弘, 守友浩
  • 学会等名: 日本物理学会 第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学平塚キャンパス
• [学会発表] ナトリウムイオン電池正極材料のその場計測
  • 著者名/発表者名: 仁谷浩明、小林航
  • 学会等名: 「つくば連携研究」合同研究会
  • 発表場所: 筑波大学
• [学会発表] NaxCoO2におけるナトリウムイオン拡散
  • 著者名/発表者名: 柴田恭幸，小林航，守友浩
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学
• [学会発表] NaxMO2(M=Co, Mn)のナトリウム濃度と電子状態
  • 著者名/発表者名: 下野貴弘，棚辺大輝，小林航，守友浩
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学
• [学会発表] NaMO2(M=Cr,Fe)の構造解析
  • 著者名/発表者名: 棚辺大輝，下野貴弘，小林航，守友浩
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学
• [学会発表] Intrinsic rapid Na+ intercalation observed in NaxCoO2 thin film
  • 著者名/発表者名: W. Kobayashi, T. Shibata, and Y. Moritomo
  • 学会等名: 17th international symposium on intercalation compounds
  • 発表場所: 仙台
• [学会発表] Layered Oxide NaxMO2 (M=Co, and Mn) as Cathode Material of Na+ Secondary Battery
  • 著者名/発表者名: W. Kobayashi
  • 学会等名: 2014 CENIDE-CNMM-TIMS Joint Symposium on Interdisciplinary Nano-Science and Technology
  • 発表場所: Qinghua university, Taiwan
  • 招待講演
• [学会発表] NaxCoO2薄膜の充放電特性
  • 著者名/発表者名: 柴田恭幸
  • 学会等名: 応用物理学会
  • 発表場所: 神奈川工科大学
• [学会発表] NaxMnO2の化学ポテンシャルと構造のx依存性
  • 著者名/発表者名: 下野貴弘
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 広島大学
• [学会発表] Na0.7MO2の化学ポテンシャルと構造物性
  • 著者名/発表者名: 棚辺大輝
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 広島大学
• [学会発表] Structural response of P2-type NaxMnO2 against Na+ intercalation
  • 著者名/発表者名: W. Kobayashi
  • 学会等名: Gordon Research Conferences: Nanomaterials for Applications in Energy Technology
  • 発表場所: Ventura, California, USA
• [学会発表] Intrinsic rapid Na+ intercalation observed in NaxCoO2 thin film
  • 著者名/発表者名: T. Shibata
  • 学会等名: Gordon Research Conferences: Nanomaterials for Applications in Energy Technology
  • 発表場所: Ventura, California, USA
• [学会発表] 層状岩塩型酸化物のアルカリ金属インターカレーション
  • 著者名/発表者名: 下野貴弘
  • 学会等名: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大学
• [学会発表] Electrochemical lithium intercalation into Bi2Sr2CaCu2O8+d
  • 著者名/発表者名: T. Shimono
  • 学会等名: XXIst International Symposium on the Jahn-Teller Effect
  • 発表場所: University of Tsukuba
• [備考] ナトリウムイオン電池材料の電位を予測生成メカニズムを解明 ～イオンモデルの新たな応用～
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p201409301000.html
• [備考] 高速充放電可能なナトリウムイオン電池用材料の設計指針を発見
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p201405280300.html