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窒素含有複合アニオン系リチウムイオン伝導体の開発

公募研究

研究領域複合アニオン化合物の創製と新機能
研究課題/領域番号 19H04705
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関大阪府立大学

研究代表者

林 晃敏  大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10364027)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2020年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワードリチウムイオン伝導体 / 複合アニオン
研究開始時の研究の概要

本研究では、窒素を含有する複合アニオン系リチウムイオン伝導体の新物質探索と構造解明に取り組む。硫化物をベースに窒素を添加した硫窒化物材料を、様々な窒素源を用いたメカノケミカル法により合成し、それらの導電率や成形性、化学的安定性、構造について調べる。また、酸化物やハロゲン化物ベースの窒素含有リチウムイオン伝導体の探索も行う。最終的には、本研究で開発した窒素含有複合アニオン系リチウムイオン伝導体を用いた全固体リチウム電池を試作し、電気化学的評価を行うことによって、全固体電池用電解質としての窒素添加効果を総合的に判断する。

研究実績の概要

これまでに、硫化物イオンとハロゲン化物イオンの複合アニオン系材料として、Li6SbS5I結晶がアルジロダイト型構造をもつリチウムイオン伝導体となることを見出した。本年度は、Li6SbS5Iの結晶構造解析とイオン伝導メカニズムについて調べた。Li6SbS5Iは25°Cで2.1×10-6 S cm-1のイオン伝導度と35 kJ mol-1の活性化エネルギーを有し、Li6PS5Iよりも優れたイオン伝導特性を示すことがわかった。Li+のBond Valence Site Energyの等値曲面の分布から、inter-cage jumpとintra-cage jumpのしやすさが両者で異なっており、Li6SbS5IではLi6PS5Iよりも低エネルギーで3次元的に伝導経路が連結し、特にinter-cage jumpがより高頻度で起こることがわかった。これがLi6SbS5Iが優れたイオン伝導特性を示す要因と考えられる。

複合アニオン系リチウムイオン伝導体に適用するための窒素源として、リチウムイオン伝導性を示す新規な窒化物材料の作製に取り組んだ。遊星型ボールミルを用いたメカノケミカル法を用いて、Li3NとGaNを常温・常圧下で直接反応させることによって窒化物材料を得た。作製したxLi3N・GaN (x=1, 2, 3)試料のX線回折測定の結果、出発原料由来のピークは観測されず、逆蛍石構造に帰属可能な回折ピークが観測された。またxの増加に伴って格子定数が増加したことから、仕込み組成に応じた固溶体が得られていることがわかった。作製した試料の粉末成形体のイオン伝導度はLi3N量が増加するにしたがって増大し、x = 3の組成で最大の3.7×10-6 S cm-1の室温伝導度を示し、伝導の活性化エネルギーは43 kJ mol-1であった。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 5件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Mechanochemical synthesis and characterization of amorphous Li<sub>2</sub>CN<sub>2</sub> as a lithium ion conductor2019

    • 著者名/発表者名
      KIMURA Takuya、HOTEHAMA Chie、SAKUDA Atsushi、HAYASHI Akitoshi、TATSUMISAGO Masahiro
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 127 号: 8 ページ: 518-520

    • DOI

      10.2109/jcersj2.19077

    • NAID

      130007686965

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2019-08-01
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] New lithium-conducting nitride glass Li3BN22019

    • 著者名/発表者名
      Shigeno Manari、Nagao Kenji、Deguchi Minako、Hotehama Chie、Kowada Hiroe、Sakuda Atsushi、Hayashi Akitoshi、Tatsumisago Masahiro
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 339 ページ: 114985-114985

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2019.05.020

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] メカノケミカル法を用いたアルジロダイト型Li6SbS5I電解質の作製と結晶構造解析2020

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・保手浜千絵・藤井孝太郎・八島正知・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 無機アモルファス材料を用いた全固体電池の構築2020

    • 著者名/発表者名
      林 晃敏
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 全固体電池への応用にむけたアモルファス系固体電解質の開発2020

    • 著者名/発表者名
      林 晃敏
    • 学会等名
      近化電池セミナー「アドバンストLIBを理解するための材料電気化学-その基礎と応用-」
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 固体電解質創製にむけた無機化学プロセスと全固体電池への応用2020

    • 著者名/発表者名
      林 晃敏
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] メカノケミカル法によるLi3N-GaN系リチウムイオン伝導体の作製2020

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      電気化学会第88回大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] メカノケミカル法によるLi5GaS4固体電解質の作製と評価2020

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・保手浜千絵・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2020年年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 耐湿性を有する窒素含有Li7P3S11ベース電解質の開発2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・福嶋晃弘・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      第21回化学電池材料研究会ミーティング
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Ionic Conductivity and Chemical Stability of Li7P3S11 Thionitride Electrolytes Prepared via a Mechanochemical Process2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・福嶋晃弘・作田 敦・林 晃敏・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      10th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Li2S-P2S5-Li3N系硫窒化物固体電解質の組成探索とその特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・福嶋晃弘・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      第14回日本セラミックス協会関西支部学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] メカノケミカル法により作製したLi7P3S11ベース硫窒化物系電解質のキャラクタリゼーション2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・福嶋晃弘・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      2019年度電気化学会関西支部・東海支部合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Sulfide and Oxide Glassy Electrolytes for All-Solid-State Batteries2019

    • 著者名/発表者名
      林 晃敏・作田 敦・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      2nd World Conference on Solid Electrolytes for Advanced Applications: Garnets and Competitors
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Preparation and Characterization of Li7P3S11-based Thionitride Electrolytes with Improved Moisture Resistance2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・福嶋晃弘・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      2nd World Conference on Solid Electrolytes for Advanced Applications: Garnets and Competitors
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of All-Solid-State Rechargeable Batteries with Ductile Amorphous Materials2019

    • 著者名/発表者名
      林 晃敏・作田 敦・辰巳砂昌弘
    • 学会等名
      The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Crystal Structure and Ionic Conductivity of the Argyrodite-type Li6SbS5I Solid Electrolytes2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・保手浜千絵・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] アルジロダイト型Li6SbS5I電解質のメカノケミカル合成と特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・保手浜千絵・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      第60回電池討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] アルジロダイト型Li6-xSbS5-xI1+xの結晶構造解析とイオン伝導度2019

    • 著者名/発表者名
      木村拓哉・保手浜千絵・作田 敦・辰巳砂昌弘・林 晃敏
    • 学会等名
      第45回固体イオニクス討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 大阪府立大学大学院工学研究科応用化学分野無機化学研究グループ

    • URL

      http://www2.chem.osakafu-u.ac.jp/ohka/ohka2/index.html

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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