非平衡挙動解析に基づく蓄電池マルチスケール相界面反応の最適化

• 研究課題/領域番号: 25249141
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: エネルギー学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 内本 喜晴 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (50193909)
• 研究分担者: 折笠 有基 京都大学, 人間・環境学研究科(研究院), 助教 (20589733)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2016年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2015年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円); 2014年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2013年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
• キーワード: 電気化学 / 蓄電池 / リチウムイオン二次電池 / 放射光 / 非平衡挙動 / オペランド解析 / 階層構造 / エネルギー全般 / エネルギー効率化 / 再生可能エネルギー / 電気自動車 / ハイブリッド車 / リチウムイオン二次j電池 / リチウムイオン電池 / 合剤電極

研究成果の概要

リチウムイオン電池は大型エネルギー貯蔵媒体として持続可能な社会の実現に向けて活発に研究開発が進められている。入出力特性のさらなる向上が不可欠であり、高速に反応が進行しうる電池材料設計・探索が研究機関の責務となる。動的な電気化学反応進行下ではイオンや電子が絶えず移動し、電極活物質の電子構造や結晶構造が連続的に変化する。系は非平衡状態にあり、非平衡時の構造変化に関する現象解明が必要である。二相系電極材料の格子体積変化を抑制すると、熱力学的には不安定だが速度論的には安定な別の反応経路を経由し高速充放電特性が向上することを、実際の電池作動下における時間分解X線回折法の適用により明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Elucidating the Driving Force of Relaxation of Reaction Distribution in LiCoO2 and LiFePO4 Electrodes Using X-ray Absorption Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Hajime Tanida, Hisao Yamashige, Yuki Orikasa, Yuma Gogyo, Hajime Arai, Yoshiharu Uchimoto, Zempachi Ogumi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 号: 9 ページ: 4739-4743
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b10210
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Irreversible Phase Transition between LiFePO4 and FePO4 during High-rate Charge-discharge Reaction by operando X-ray Diffraction (2016)
  • 著者名/発表者名: Ikuma Takahashi, Takuya Mori, Takahiro Yoshinari, Yuki Orikasa, Yukinori Koyama, Haruno Murayama, Katsutoshi Fukuda, Masaharu Hatano, Hajime Arai, Yoshiharu Uchimoto, Takayuki Terai
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: 119 ページ: 122-126
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.01.077
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Improvement of phase transition reaction rate ofLi(Fe0.95Zr0.05)(P0.9Si0.1)O4 for high rate Lithium-ion battery cathode (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahiro. Yoshinari, Yuki. Orikasa, Kentaro. Yamamoto, M. Nishijima, Katsutoshi. Fukuda, Yoshiharu. Uchimoto
  • 学会等名: International Battery Association 2017
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] 窒素界面修飾による 窒素界面修飾による 窒素界面修飾による LiFePO4-FePo4二相反応の高速化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤 愛梨 ，吉成 ，吉成 崇宏，森 崇宏，森 拓弥 ，折笠 ，折笠 有基 ，中西 ，中西 康次 ，内本 喜晴
  • 学会等名: 第84回電気化学会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-03-29
• [学会発表] 格子歪を抑制した二相系電極材料LiFePO4 の出力特性と非平衡挙動 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉成崇宏 ，加藤愛梨 ，森 拓弥 ，折笠有基 ，西島主明 ，大平耕司 ，江崎正悟 ，末木俊次 ，大谷拓也 ，上村雄一 ，福田 勝利 ，小山幸典 ，内本喜晴
  • 学会等名: 第84回電気化学会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-03-29
• [学会発表] 中温型溶融塩電解質によるLiFePO4-FePO4の相変化挙動解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宗定暁之，大谷和史，森 拓弥，折笠有基，野平俊之，萩原理加、小山幸典，尾原幸治，福田勝利，内本喜晴
  • 学会等名: 第84回電気化学会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-03-29
• [学会発表] リチウムイオン二次電池正極材料LiFePO4における非平衡相変化挙動と低温特性の関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森 拓弥，小山 幸典，折笠 有基，宇山 健，中 貴弘，小松 秀行，下田 景士，村山 美乃，福田 勝利，荒井 創，内本 喜晴
  • 学会等名: 第84回電気化学会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-03-29
• [学会発表] 元素置換により格子体積差を縮小したLiFePO4の高速充放電特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉成 崇宏、折笠 有基、山本 健太郎、西島 主明、大平 耕司、江崎 正悟、末木 俊次、上村 雄一、福田 勝利、内本 喜晴
  • 学会等名: 立命館大学SRセンター公開シンポジウム 
  • 発表場所: 立命館大学くさつキャンパス 
• [学会発表] 格子歪制御に伴うLiFePO4の非平衡挙動変化と出力特性への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山本 梨乃，吉成 崇宏，山本 健太郎，森 拓弥，折笠 有基，西島 主明，大平 耕司，江崎 正悟，末木 俊次，上村 雄一，福田 勝利，内本 喜晴
  • 学会等名: 第57回電池討論会 
  • 発表場所: 幕張メッセ 
• [学会発表] アニオン置換LiFePO4の高速充放電特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉成 崇宏, 濱口 直也, 折笠 有基, 山本 健太郎, 西島 主明, 福田 勝利, 内本 喜晴
  • 学会等名: 第10回物性科学領域横断研究会 
  • 発表場所: 神戸大学百年記念会館
• [学会発表] Improved Rate Capability By Dynamic Crystal Structure Change of Co-Substituted LiFePO4 with Reduced Lattice Mismatch (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahiro. Yoshinari, Yuki. Orikasa, Takuya. Mori, Motoaki. Nishijima, Koji. Ohira, Shogo. Esaki, Toshitsugu. Sueki, Takuya. Ootani, Yuichi. Kamimura, Koji. Ohara, Katsutoshi. Fukuda, and Yoshiharu. Uchimoto 
  • 学会等名: The 18th International Meeting on Lithium Batteries
  • 発表場所: Chicago
  • 国際学会
• [学会発表] 放射光オペランド計測を用いた蓄電池内部現象の解明と高性能化への設計 (2015)
  • 著者名/発表者名: 折笠有基, 内本喜晴
  • 学会等名: 電気化学会第42回セミコンファレンス
  • 発表場所: 岩手県花巻温泉
  • 年月日: 2015-12-04
  • 招待講演
• [学会発表] 表面窒素修飾LiFePO4正極の電極/電解質界面反応速度の高速化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉成 崇宏, 加藤 愛梨, 草地 雄樹, 山本 健太郎, 森 拓弥, 折笠 有基,中西康次,新田清文,宇留賀朋哉,内本喜晴
  • 学会等名: 第41回固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2015-11-25
• [学会発表] 中間層を介したLiFePO4の高速相変化機構の解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大谷和史, 宗定暁之, 森 拓弥, 折笠有基, 野平俊之, 萩原理加, 小山幸典, 尾原幸治, 福田勝利, 小久見善八,
  • 学会等名: 第41回固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2015-11-25
• [学会発表] 時間分解XRDによるオリビン型正極LiFePO4の低温における相変化挙動解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 森拓弥, 小山幸典, 折笠有基, 宇山健, 中貴弘, 小松秀行, 下田景士, 村山美乃, 福田勝利, 荒井創, 小久見善八, 内本喜晴
  • 学会等名: 第56回電池討論会
  • 発表場所: 愛知産業労働センター
  • 年月日: 2015-11-11
• [学会発表] 中温作動下におけるLixFePO4中間相の出現と出力特性の相関 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大谷和史, 宗定暁之, 森 拓弥, 折笠有基, 野平俊之, 萩原理加, 小山幸典, 尾原幸治, 福田勝利, 小久見善八, 内本喜晴
  • 学会等名: 第56回電池討論会
  • 発表場所: 愛知産業労働センター
  • 年月日: 2015-11-11
• [学会発表] 表面窒素修飾によるLiFePO4正極の高出力化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉成 崇宏, 加藤 愛梨, 草地 雄樹, 山本 健太郎, 森 拓弥, 折笠 有基
  • 学会等名: 第56回電池討論会
  • 発表場所: 愛知産業労働センター
  • 年月日: 2015-11-11
• [学会発表] Dynamics of the Phase Transition Behavior of the LiFePO4 Investigated by Time-resolved X-ray Diffraction at Various Temperatures (2015)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mori, Kazufumi Otani, Toshiyuki Munesada, Kentaro Yamamoto, Titus Masese, Yuki Orikasa, Koji Ohara, Katsutoshi Fukuda, Yukinori Koyama, Toshiyuki Nohira, Rika Hagiwara, Zempachi Ogumi, and Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: 台湾
  • 年月日: 2015-10-04 – 2015-10-09
• [学会発表] Operando synchrotron X-ray analysis for investigation of electrode property of lithium ion battery cathode (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshiharu Uchimoto, Yuki Orikasa
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 2015-10-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamics of the Phase Transition Behavior of the LiFePO4 Investigated by Time-resolved X0ray Diffraction at Various Temperatures (2015)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mori, Kazufumi Otani, Toshiyuki Munesada, Kentaro Yamamoto, Titus Masese, Yuki Orikasa, Koji Ohara, Katsutoshi Fukuda, Yukinori Koyama, Toshiyuki Nohira, Rika Hagiwara, Zempachi Ogumi, Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 2015-10-04
  • 国際学会
• [学会発表] 中温型溶融塩を用いたLiFePO4の二段階相転移解析に基づく充放電反応機構解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 森拓弥,大谷和史,宗定暁之,折笠有基,小山幸典,尾原幸治,福田勝利,野平俊之,萩原理加,内本喜晴
  • 学会等名: 第11回固体イオニクスセミナー
  • 発表場所: 静岡県伊豆熱川温泉
  • 年月日: 2015-08-30
• [学会発表] 薄膜モデル電極を用いた窒素ドープLiFePO4の相転移機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉成崇宏, 加藤愛梨, 草地雄樹, 山本健太郎, 森拓弥, 折笠有基, 中西康次, 新田清文, 宇留賀朋哉, 内本喜晴
  • 学会等名: 第11回固体イオニクスセミナー
  • 発表場所: 静岡県伊豆熱川温泉
  • 年月日: 2015-08-30
• [学会発表] Non equilibrium Phase Transition Behavior between LiFePO4 and FePO4 at Various Temperatures (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Orikasa, Takuya Mori, Kazufumi Otani, Toshiyuki Munesada, Koji Ohara, Katsunori Koyama, Toshiyuki Nohira, Rika Hagiwara, Zempachi Ogumi, Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: The 8th Asian Conference on Electrochemical Power Sources
  • 発表場所: Kunming, China
  • 年月日: 2015-08-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Improvement of Phase Transition Kinetics in LiFePO4 Thin Film Electrode by Modification of Nitrogen (2015)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yoshinari, Eri Kato, Yuki Kusachi, Takuya Mori, Koji Nakanishi, Yuki Orikasa, Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: The 8th Asian Conference on Electrochemical Power Sources
  • 発表場所: Kunming, China
  • 年月日: 2015-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] 放射光オペランド測定による電気化学デバイスの時間・空間的階層反応解析と高性能化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 折笠有基
  • 学会等名: 第1回関西電気化学会研究会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2015-07-04
  • 招待講演
• [学会発表] Origin of High Rate Capability of LiFePO4 Investigated by Time-resolved X-ray Diffraction at Various Operating Temperatures (2015)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mori, Kazufumi Otani, Kentaro Yamamoto, Titus Masese, Yuki Orikasa, Koji Ohara, Katsutoshi Fukuda, Yukinori Koyama, Toshiyuki Nohira, Rika Hagiwara, Zempachi Ogumi, Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: 2015 Lithium Battery Discussions
  • 発表場所: Arcachon, France
  • 年月日: 2015-06-21
  • 国際学会
• [学会発表] Phase transition mechanism of LiFePO4-FePO4 using a thin-film model electrode (2015)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yoshinari, Kentaro Yamamoto, Eri Kato, Takuya Mori, Titus masese, Yuki Orikasa, and Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: 20th International Conference on Solid State Ionica
  • 発表場所: コロラド、米国
  • 年月日: 2015-06-14 – 2015-06-19
• [学会発表] Phase transition mechanism of LiFePO4-FePO4 using a thin-film model electrode (2015)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yoshinari, Kentaro Yamamoto, Eri Kato, Takuya Mori, Titus masese, Yuki Orikasa, Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: 20th International Conference on Solid State Ionics
  • 発表場所: Keystone, Denver, USA
  • 年月日: 2015-06-14
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of High Rate Performance of LiFePO4 Investigated by Time-resolved X-ray Diffraction (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazufumi Otani, Toshiyuki Munesada, Takuya Mori, Kentaro Yamamoto, Titus masese, Yuki Orikasa, Koji Ohara, Katsutoshi Fukuda, Yukinori Koyama, Toshiyuki Nohira, Rika Hagiwara, Zempachi Ogumi, and Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: 20th International Conference on Solid State Ionics
  • 発表場所: Keystone, Denver, USA
  • 年月日: 2015-06-14
  • 国際学会
• [学会発表] In operando synchrotron X-ray analysis of lithium ion cathode reaction (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: 17th Topical Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 発表場所: Saint-Malo, France
  • 年月日: 2015-05-31
  • 国際学会
• [学会発表] 薄膜モデル電極を用いたLiFePO4-FePO4相転移機構の解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉成崇宏1，山本健太郎，加藤愛梨，森拓弥，折笠有基，稲葉稔，内本喜晴
  • 学会等名: 第82回電気化学会
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2015-03-15
• [学会発表] Origin of High Rate Capability of LiFePO4 Two Phase Reaction or Solid-Solution (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshiharu Uchimoto
  • 学会等名: The 2015 International Battery Association
  • 発表場所: ハワイ、米国
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-09
  • 招待講演
• [学会発表] 放射光 X線を駆使した電気化学エネルギー変換デバイスの反応機構解明 (2013)
  • 著者名/発表者名: 折笠 有基、内本 喜晴
  • 学会等名: 第1回アラインス若手研究交流会
  • 発表場所: 東北大学
  • 招待講演
• [備考] 京都大学大学院人間・環境学研究科 内本研究室
  • URL: http://www.uchimoto.jinkan.kyoto-u.ac.jp/