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2015 年度 実績報告書

ナノ構造情報に基づいた新しい固体イオニクス材料の創出

計画研究

研究領域ナノ構造情報のフロンティア開拓-材料科学の新展開
研究課題/領域番号 25106009
研究機関東京工業大学

研究代表者

菅野 了次  東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (90135426)

研究分担者 田村 和久  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究副主幹 (10360405)
平山 雅章  東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (30531165)
鈴木 耕太  東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (40708492)
研究期間 (年度) 2013-06-28 – 2018-03-31
キーワード固体イオニクス / ナノ材料 / 結晶構造 / 高圧合成 / 電気化学界面
研究実績の概要

エネルギーデバイスに利用可能な固体イオニクス材料の創出のため、1「ナノ構造情報取得」、2「物性開拓」、3「材料探索指針の構築と新物質創成」を実施した。
1. 酸水素化物La-Sr-Li-H-O系のヒドリドイオン導電体を開発し、その構造、イオン導電特性を調べた。この酸水素化物材料はK2NiF4型の結晶構造を有し、La/Sr比,H/O比を様々に変化させた固溶体を形成することが明らかになった。特にアニオン副格子中のH, O比を制御するとヒドリドイオンの占有位置が変化し、H/O比が小さい組成ではヒドリドイオンがペロブスカイト層内を優先的に占有し、大きい組成ではペロブスカイト層だけでなく岩塩層の一部もヒドリドイオンが占有することが明らかとなった。
2. 酸水素化物La-Sr-Li-H-O系材料のLi位置へ遷移金属置換を行った。遷移金属を導入することで、さらなる不定比性の拡張、電子伝導性の発現、磁性、超伝導などの新規物性発現が期待できる。遷移金属を導入した系ではK2NiF4型構造が形成されず、全く異なるX線回折パターンを示した。遷移金属導入によりK2NiF4型相の安定性が低下し、他の構造を有する相が形成されることが明らかになった。さらなる組成、合成条件最適化により新規な構造と物性を有する物質群の開拓が期待できる。
3. A02(エ)班との連携により、La-Li-O系酸化物導電体の構造とイオン導電機構に関する第一原理計算を行った。構造モデル設定し酸素拡散前後の安定化エネルギーを計算した結果、ペロブスカイト層内の酸素欠損を利用したイオン拡散が最も有利であることが明らかになった。また、第一原理計算から得られたイオン導電の活性化エネルギーは実測値とほぼ一致し、実験事実と計算結果一致した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

項目1においてイオン導電特性を示す新規材料を、リチウムイオン、ヒドリドイオン、酸化物イオン導電体において発見し、さらに組成や構造の多様性を開拓している。得られた材料の結晶構造は、リートベルト解析によって、その平均構造解析が進んでいる。また、そのイオン導電特性についても評価を行っている。特に、ヒドリドイオン、リチウムイオン導電体は全く新規な構造を有する材料を見出しており、材料開発における重要な成果が得られた。項目2においては、遷移金属を添加した酸水素化物系の材料において新たな構造と物性を示すことが期待出来る物質群開発に目途がたっており、平成28年度以降にさらなる構造、メカニズム解析と計算化学との連携をするべき材料を見出した。項目3については、項目1、2で得られた成果を基に計算科学による解析を進めている。酸化物イオン導電体について有用な成果が得られ始めており、シンセシス型と、アナリシス型を融合した材料開発の実現に向けて着実に成果をだしている。以上より、本年度の進捗は、当初計画に沿って順調に進展している。

今後の研究の推進方策

材料の電子情報、結晶情報、ナノ構造情報を総合的に解釈することが、新規固体イオニクス材料の設計指針を確立するために必要である。新規イオニクス材料の合成(A03)、ナノ構造情報の取得と理論計算(A01, A02)の連携を発展させ、合成、評価、理論計算、情報学の融合により、従来までの材料探索領域を拡張する。連携で成果の上がっているヒドリドイオン導電体を研究対象の主軸とし、酸化物イオン、プロトン、リチウムなどのイオン導電体についてもナノ構造情報に基づいた新規材料の創出をめざす。
項目1:「イオニクス材料のナノ構造情報取得」これまでに開発したイオニクス材料群を対象に、電子顕微鏡・量子ビームを利用したナノ構造解析を進める。観測雰囲気を制御した測定条件および手法を確立させる。多様な観察プローブにより得られた構造情報を総合的に解釈し、イオニクス材料のナノ構造と発現する物性、電気化学特性の相関を明らかにする。電気化学反応場での構造解析を展開して、デバイス性能を決定付ける電気化学反応中のイオニクス材料の構造変化を明らかにする。
項目2:「イオニクス材料の物性開拓」薄膜などのモデル化した物質を用いて、ナノ領域におけるイオン導電率、電子伝導率、電気化学反応と構造の相関を詳細に検討する。A02(エ)班との連携を強化し、第一原理計算の手法を発展させる。様々なイオニクス現象に適した構造の構築方法を検討し機能向上を目指す。
項目3:「材料探索指針の構築と新物質創成」ヒドリドイオン、酸化物イオン、リチウム導電体の新規物質群を開拓する。予測・合成・検証・フィードバックのサイクルを確立し、設計指針を高度化する。計算科学との連携を強化して、探索すべき構造、組成を吟味したうえで「シンセシス型」の材料探索を実施する。項目1,2で得られたナノ構造情報についても探索領域の決定に反映させる。

  • 研究成果

    (26件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 6件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 9件、 謝辞記載あり 9件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 5件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Electrochemical properties of copper-based compounds with polyanion frameworks2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Mizuno, S. Hata, K. Suzuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      J. Solid State Chem.

      巻: 235 ページ: 43-49

    • DOI

      10.1016/j.jssc.2015.12.003

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Synthesis, structure, and electrochemical properties of crystalline Li-P-S-O solid electrolytes: Novel lithium-conducting oxysulfides of Li10GeP2S12 family2016

    • 著者名/発表者名
      K. Suzuki, M. Sakuma, S. Hori, T. Nakazawa, M. Nagao, M. Yonemura, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: In Press ページ: In Press

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2016.02.002

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Lithium ion conduction in doped LaLiO2 system2016

    • 著者名/発表者名
      M. Iqbal, K. Suzuki, G. Kobayashi, G. Zhao, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 285 ページ: 33-37

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2015.09.001

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Reactions at the electrode/electrolyte interface of all-solid-state lithium batteries incorporating Li-M (M = Sn, Si) alloy electrodes and sulfide-based solid electrolytes2016

    • 著者名/発表者名
      M. Sakuma, K. Suzuki, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 285 ページ: 101-105.

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2015.07.010

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Pure H- conduction in oxyhydrides2016

    • 著者名/発表者名
      Genki Kobayashi, Yoyo Hinuma, Shinji Matsuoka, Akihiro Watanabe, Muhammad Iqbal, Masaaki Hirayama, Masao Yonemura, Takashi Kamiyama, Isao Tanaka, Ryoji Kanno
    • 雑誌名

      Science

      巻: 351 ページ: 1314-1317

    • DOI

      10.1126/science.aac9185

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Interfacial Analysis of Surface-Coated LiMn2O4 Epitaxial Thin Film Electrode for Lithium Batteries2015

    • 著者名/発表者名
      K. Suzuki, M. Hirayama, K. Kim, S. Taminato, K. Tamura, J.-Y. Son, J.i. Mizuki, R. Kanno
    • 雑誌名

      J. Electrochem. Soc.

      巻: 162 ページ: A7083-A7090

    • DOI

      10.1149/2.0111513jes

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Syntheses, structures, and ionic conductivities of perovskite-structured lithium-strontium-aluminum/gallium-tantalum-oxides2015

    • 著者名/発表者名
      T. Phraewphiphat, M. Iqbal, K. Suzuki, Y. Matsuda, M. Yonemura, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      J. Solid State Chem.

      巻: 225 ページ: 431-437

    • DOI

      10.1016/j.jssc.2015.01.007

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 新規LiScO2系リチウムイオン導電体の合成,結晶構造解析,イオン導電特性2015

    • 著者名/発表者名
      趙 国偉, ムハンマド イクバル, 鈴木耕太, 平山雅章, 菅野了次
    • 雑誌名

      粉体および粉末冶金

      巻: 62 ページ: 543-547

    • DOI

      10.2497/jjspm.62.54349

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Control of the Phase Fractions in Layered Rock Salt and Spinel-Type Li-(Mn,Co,Ni)-O Epitaxial Thin Films: a Model Blended Cathode System for Lithium Batteries2015

    • 著者名/発表者名
      M. Abe, K. Suzuki, H. Minamishima, K. Kim, S. Taminato, M. Hirayama, R. Kanno
    • 雑誌名

      粉体および粉末冶金

      巻: 62 ページ: 531-537

    • DOI

      10.2497/jjspm.62.531

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] H-導電性酸水素化物の合成とイオン導電特性2016

    • 著者名/発表者名
      小林玄器
    • 学会等名
      セラミックス協会2016年年会 サテライトプログラム 第2回構造科学と新物質探索研究会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2016-03-14 – 2016-03-16
    • 招待講演
  • [学会発表] 水素のアニオンであるヒドリド(H-)を伝導する特殊なセラミックスを開発2016

    • 著者名/発表者名
      小林玄器
    • 学会等名
      元素戦略希少金属代替材料開発 第10回合同シンポジウム
    • 発表場所
      東京国際フォーラム
    • 年月日
      2016-02-23
    • 招待講演
  • [学会発表] Novel lithium ion conducting oxides based on LiScO22015

    • 著者名/発表者名
      Guowei Zhao, Muhammad Iqbal, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno
    • 学会等名
      International Chemical Congress of Pacific Basin Societies(PACIFICHEM)2015
    • 発表場所
      Honolulu, Hawaii
    • 年月日
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis and H- Conductivity of Ba2LiH3O2015

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Watanabe, Genki Kobayashi, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno
    • 学会等名
      he Fourth International Education Forum on Environment and Energy Science
    • 発表場所
      Maui, Hawaii, USA
    • 年月日
      2015-12-06 – 2015-12-10
    • 国際学会
  • [学会発表] リチウムと固体イオニクス2015

    • 著者名/発表者名
      菅野了次
    • 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 – 2015-11-27
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis, structure and ionic conductivity of LiSrB2O6F (B = Nb+5, Ta+5) with pyrochlore structure2015

    • 著者名/発表者名
      Muhammad Iqbal, Thanya Phraewphiphat, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Ryoji Kanno
    • 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 – 2015-11-27
  • [学会発表] 新規酸新規酸水素化物Ba2LiH3OのH-導電特性2015

    • 著者名/発表者名
      小林 玄器, 渡邉 明尋, 鈴木 耕太, 平山 雅章, 菅野 了次
    • 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 – 2015-11-27
  • [学会発表] 新規酸水素化物の合成とH-導電特性2015

    • 著者名/発表者名
      小林 玄器, 日沼 洋陽, 渡邉 明尋, Iqbal Muhammad, 平山 雅章, 米村 雅雄, 田中 功, 菅野了次
    • 学会等名
      第56回電池討論会
    • 発表場所
      ウインクあいち
    • 年月日
      2015-11-11 – 2015-11-13
  • [学会発表] Synthesis and characterization of Mg doped solid solution of La2LiO3.5 with Ruddlesden Popper type structure2015

    • 著者名/発表者名
      Iqbal Muhammad, 鈴木耕太, 小林玄器, 平山雅章, 菅野了次
    • 学会等名
      日本金属学会2015年秋期講演大会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [学会発表] 新規K2NiF4型酸水素化物の高圧合成、構造及び電気化学特性2015

    • 著者名/発表者名
      渡邉明尋, 小林玄器, Iqbal Muhammad, 鈴木耕太, 平山雅章, 菅野了次
    • 学会等名
      日本金属学会2015年秋期講演大会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [学会発表] Synthesis and Properties of H- Defects Oxyhydrides2015

    • 著者名/発表者名
      Genki Kobayashi, Yoyo Hinuma, Akihiro Watanabe, Muhammad Iqbal, Masaaki Hirayama, Isao Tanaka and Ryoji Kanno
    • 学会等名
      28th International Conference on Defects in Semiconductors ICDS-2015
    • 発表場所
      Espoo, Finland
    • 年月日
      2015-07-27 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of Coating Effects on LiMn2O4 Epitaxial Thin Film Electrode2015

    • 著者名/発表者名
      Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, KyungSu Kim, Sou Taminato, Kazuhisa Tamura, J in-Young Son, Jun’ichiro Mizuki, Ryoji Kanno
    • 学会等名
      LiBD2015 (Lithium Battery Discussions) - Electrode Materials,Palais des Congres
    • 発表場所
      Arcachon (France)
    • 年月日
      2015-06-21 – 2015-06-26
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydride Conduction in Oxyhydrides2015

    • 著者名/発表者名
      Genki Kobayashi
    • 学会等名
      20th International Conference on Solid State Ionics
    • 発表場所
      Keystone, USA
    • 年月日
      2015-06-14 – 2015-06-19
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ヒドリド導電性酸水素化物の合成2015

    • 著者名/発表者名
      小林玄器, 今井弓子, 日沼洋陽, 渡邉明尋, Muhammad IQBAL, 平山雅章, 田中功, 菅野了次
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会平成27年度春季大会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2015-05-26 – 2015-05-28
  • [学会発表] Synthesis, Structure and Ionic Conductivity of Pyrochlore-Structured LiSrB2O6F (B= Nb+5, Ta+5)2015

    • 著者名/発表者名
      Thanya PHRAEWPHIPHAT, Muhammad IQBAL, Kota SUZUKI, Masaaki HIRAYAMA, Ryoji KANNO
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会平成27年度春季大会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2015-05-26 – 2015-05-28
  • [学会発表] Synthesis, Structure and Ionic Conductivity of New Lithium Ion Conductors Based on LiMO2 (M= Sc, Ga) System2015

    • 著者名/発表者名
      Guowei ZHAO, Muhammad IQBAL, Kota SUZUKI, Masaaki HIRAYAMA, Ryoji KANNO
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会平成27年度春季大会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2015-05-26 – 2015-05-28
  • [備考] 東京工業大学 菅野・平山研究室

    • URL

      http://www.kanno.echem.titech.ac.jp/

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公開日: 2017-01-06  

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