| 研究領域 | 蓄電固体デバイスの創成に向けた界面イオンダイナミクスの科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
22H04622
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 東北大学 (2023)
九州大学 (2022) |
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研究代表者 |
大野 真之 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30892533)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 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)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
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| キーワード | 全固体電池 / 固体硫黄正極 / 固体ナノ界面 / イオン輸送 / 固体複合材料 / 固体電解質 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
硫黄を筆頭とする難伝導性大容量活物質利用に向けた、高濃度固体ナノ界面含有複合体内のイオン輸送向上が本研究の目的となる。熾烈な材料探索競争により高イオン伝導度の固体電解質開発が進み、難伝導性活物質利用は様々な手段による微細で緻密な複合化によって一定の成功を収めてきている。しかし応募者はそれらの電池の劣化機構を探る中、複合体内輸送の電気化学的測定手法の確立を通して、高濃度にナノ界面を持つ複合体内でイオン輸送が極端に鈍化する現象を観測した。この複合体内の鈍重なイオン輸送が更なる性能向上のボトルネックとなっており、またこの遅い輸送の原因も未だ判然としない。その現状を打開すべく、ナノ界面の掌握を目指す。
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| 研究実績の概要 |
絶縁性の活物質の利用には、イオン・電子の輸送担体と活物質をナノレベルで複合化する必要があり、それゆえに複合体中の界面濃度が飛躍的に増大する。高濃度に固体ナノ界面を含む複合体内部ではキャリアの輸送、とくにイオン輸送能が大きく減退し、特性向上の大きな障壁となっている。しかし、その具体的な要因は判然としない。そこで本研究では、高濃度固体ナノ界面近傍の多角的観測により、まずは輸送制限因子の同定を目指し、そこから得られる理解をベースとした高濃度複合体中の輸送向上を目標に掲げてきた。
輸送制限因子には複数の可能性が存在する。界面において電解質の構造が変化する構造的要因、界面部分に蓄積された空間電荷の影響、界面近傍に存在する空隙の影響、さらには界面での相互拡散や界面生成物の影響といった複雑な現状を紐解くために、各因子を支配し得るパラメータを制御し、その影響を観測した。例えば複合体中のイオン輸送は、複合化される炭素の形状や比表面積により劣化の程度が変わる。複合体内の電解質結晶度調べると、炭素の表面積の増大に伴い急激にガラス相成分が増加することが分かり、電解質-炭素界面での化学的な変性が示唆された。また、硫化物固体電解質の酸化耐性の乏しさに起因する輸送劣化への対策として、室温加圧焼結が可能で酸化耐性に優れたハロゲン系固体電解質の全固体硫黄正極との親和性を検証した。電解質-炭素複合体中の輸送で規定される”高い有効伝導度を保てる電位窓”はハロゲン系固体電解質を用いた高濃度複合体において硫黄電池動作電位内で保たれることが分かった。しかし、硫黄を加えた複合正極内部では、特に塩化物は激しく劣化し、サイクル特性が得られない。この原因がハロゲン化物と硫化リチウムの化学反応であることを突き止め、より大きなハロゲン、例えば臭化物を用いることで大幅に低減できることも明らかにした。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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