リチウムイオン伝導体酸化物バルク結晶の育成とイオン伝導へのドメイン抑制効果

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K05930
• 研究機関: 山梨大学
• 研究代表者: 田中 功 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40155114)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: リチウムイオン伝導体 / チタン酸ランタンリチウム / ニオブ酸ランタンリチウム / コバルト酸リチウム / TSFZ法 / バルク単結晶育成 / イオン伝導度

研究実績の概要

高容量で安全性の高い全固体リチウムイオン二次電池の開発を目指して、分解溶融酸化物固溶体であるリチウムイオン伝導体酸化物のバルク結晶をTSFZ法により育成し異相のない最適な育成条件を明らかにするとともに、イオン伝導度の異方性やドメインの影響を調べることで、リチウムイオン伝導度劣化のメカニズムを明らかにすることを目的としている。
平成30年度は、チタン酸ランタンリチウムLa2/3-xLi3xTiO3 (LLTi)、ニオブ酸ランタンリチウムLa(1-x)/3LixNbO3 (LLNb)、コバルト酸リチウムLiCoO2の単結晶育成について育成条件（特に種結晶を用いたseed育成、溶媒組成）を検討した結果、直径約5mm、長さ30mm以上の大きさでドメイン構造のない単結晶を育成することができた。LLTi育成結晶においてLi濃度x=0.057であり仕込み組成x=0.117の半分以下であるにもかかわらず[110]において1.64 mS/cmの高いイオン伝導性を示した。LLNbにおいては、Li濃度x=0.071であり仕込み組成x=0.10より低いにもかかわらず[100]において0.11 mS/cmであり多結晶体よりも高いイオン伝導性を示した。LiCoO2育成結晶においては、中性子回折によりLiCoO2化学量論組成に近いことが確認された。
研究期間全体を通じて実施した研究の成果としては、育成条件の最適化より異相やドメイン構造のないLLTi、LLNb、LiCoO2単結晶の育成に成功した。育成単結晶のイオン伝導度の異方性から、焼結体など多結晶体のイオン伝導度では[001]のイオン伝導度が支配的であり低下させていることが明らかになった。今後は、これらのことを踏まえて単結晶を用いたリチウムイオン二次電池への応用に研究を展開して、次世代の全単結晶リチウムイオン二次電池の開発を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] Leibniz IFW-Dresden(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Leibniz IFW-Dresden
• [国際共同研究] The University of Sydney/Australian Centre for Neutron Scattering(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: The University of Sydney/Australian Centre for Neutron Scattering
• [雑誌論文] Determination of the phase relation of a LixLa(1－x)/3NbO3 system by the slow cooling floating zone method (2019)
  • 著者名/発表者名: Isao Tanaka, Risa Yoshihara, Chie Nakazawa, Masanori Nagao, Satoshi Watauchi
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 507 ページ: 251-254
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.11.030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of LiCoO2 Single Crystals by the TSFZ Method (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Nakamura, Andrey Maljuk, Yuki Maruyama, Masanori Nagao, Satoshi Watauchi, Takeshi Hayashi, Yutaka Anzai, Yasunori Furukawa, Chris D. Ling, Guochu Deng, Maxim Avdeev, Bernd Buchner, Isao Tanaka
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 19 ページ: 415-420
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.8b01503
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] TSFZ 法による全固体リチウムイオン電池材料バルク単結晶の 育成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中 功
  • 雑誌名: 日本結晶成長学会誌 巻: 46 ページ: 46(3)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal growth of La2/3-xLi3xTiO3 by the TSFZ method (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuki Maruyama, Shiho Minamimure, Chinatsu Kobayashi, Masanori Nagao, Satoshi Watauchi and Isao Tanaka
  • 雑誌名: Royal Society Open Science 巻: 5 ページ: 181445(7)
  • DOI: doi.org/10.1098/rsos.181445
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] TSFZ 法による La2/3-xLi3xTiO3 リチウムイオン伝導体の単結晶育成と評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 丸山 祐樹, 南牟禮 志歩, 小林 千夏, 長尾 雅則, 綿打 敏司, 田中功
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2019年年会
• [学会発表] Growth of lithium ion conductor La2/3-xLi3xTiO3 single crystals by the TSFZ method with various solvents (2018)
  • 著者名/発表者名: Isao Tanaka, Chinatsu Kobayashi, Shiho Minamimure, Md Shahajan Ali, Yuki Maruyama, Masanori Nagao, Satoshi Watauchi
  • 学会等名: The International Symposium on Inorganic and Environmental Materials 2018 (ISIEM 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] TSFZ 法による La2/3-xLi3xTiO3 単結晶の育成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 丸山 祐樹・南牟禮 志歩・小林 千夏・長尾 雅則・綿打 敏司・田中 功
  • 学会等名: 第31回日本セラミックス協会秋季シンポジウム
• [学会発表] TSFZ 法による LiCoO2 正極材単結晶の育成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中功，中村成伸, Andrey Maljuk, 丸山祐樹, 長尾雅則, 綿打敏司, 林 武志, 安斎 裕, 古川保典, Chris D. Ling
  • 学会等名: 第47回結晶成長国内会議
  • 招待講演
• [学会発表] LiCoO2結晶のTSFZ育成と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村成伸，Andrey Maljuk ，丸山祐樹，長尾雅則，綿打敏司，田中功
  • 学会等名: 第47回結晶成長国内会議
• [備考] 山梨大学研究者総覧
  • URL: http://nerdb-re.yamanashi.ac.jp/Profiles/339/0033828/profile.html
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.inorg.yamanashi.ac.jp/research/16