• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2019 年度 実施状況報告書

錯イオンの機能性に基づく水素化物固体電解質の新規物性開拓

研究課題

研究課題/領域番号 19K15666
研究機関東北大学

研究代表者

金 相侖  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (20801442)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワード錯体水素化物 / 超イオン伝導 / 固体電解質 / 全固体電池
研究実績の概要

錯体水素化物は金属と水素からなる籠状の錯イオンを有する材料であり、リチウムのような陽イオンが固体内を高速で伝導することから全固体二次電池の固体電解質への適用が期待される。錯体水素化物におけるイオン伝導の最大の特徴は、温度上昇に従い高温相に構造相転移し、その高温相が10-1 S cm-1以上の超リチウムイオン伝導率を示すことである。即ち、高温相における構造的・動的挙動とリチウム伝導の相関を明らかにすることで新規材料開拓の可能性が導かれる。令和元年度は、錯体水素化物の高温相の形成原理解明と高イオン伝導性を有する水素化物固体電解質材料の創出を目指して、(1-x)LiCB9H10-xLiCB11H12擬似二成分系における固溶体と構造相転移の相関および得られた試料のイオン伝導特性を調べた。以下に詳細を報告する。
・低x値(0.1≦x0.4)、高x値において(0.7≦x0.9)、単相の(1-x)LiCB9H10-xLiCB11H12固溶体が得られた。
・低x値ではLiCB9H10中の[CB9H10]-錯イオンが[CB11H12]-錯イオンに、高x値においてではLiCB11H12中の[CB11H12]-錯イオンが[CB11H12]-錯イオンに置換された相が形成された。
・低x値のみにおいて、リチウムイオンと錯イオンが無秩序に配列した高温相が形成が確認され、母構造内の錯イオンとそれに置換される錯イオン間の相互作用により高温相の形成機構が大きく変化することが明らかとなった。また、x=0.3において液体電解質並みの超リチウムイオン伝導率が得られた。

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

令和元年度は、超イオン伝導特性を示す高温相の形成機構と物性探索に注力した。その結果、幅広い材料領域において、材料組成、固溶体の構造、高温相の形成機構、イオン伝導特性に関する知見を得ることが可能となった。特に、これまでに錯体水素化物における超イオン伝導特性(液体電解質並みの伝導特性)の報告例は皆無であったが、(1-x)LiCB9H10-xLiCB11H12で得られた超イオン伝導特性の成果により錯体水素化物イオン伝導体の研究が大いに加速化すると期待される。したがって、進捗状況は順調であると判断した。以下に進捗状況の詳細を簡潔に記す。
・(1-x)LiCB9H10-xLiCB11H12の固溶領域と高温相の安定化領域が明らかになった。特に、低x領域において、超リチウムイオン伝導特性を示す高温相が室温で合成可能となり、10-3 Scm-1以上の伝導率が得られた。
・二次電池材料としての利用可能性を検証するために、超リチウムイオン伝導特性を示す錯体水素化物を固体電解質に用いた全固体電池を作製し、電池特性を調べた。正極にTiS2、負極にLi金属、固体電解質に錯体水素化物を用いた全固体電池は可逆的な充放電特性を示した。以上の結果により、錯体水素化物超リチウムイオン伝導体の実用的な二次電池材料としての適用が期待される。

今後の研究の推進方策

令和ニ年度は、令和元年度の研究から得た知見を、1)高い電気化学特性が期待されるLiCB9H10-Li2B12H12二成分系と、2)高イオン伝導特性と高電気化学特性を兼ね備える材料の探索に向けてLiCB9H10-LiCB11H12-Li2B12H12三成分系へと拡張し、材料設計指針の確立とそれによる新規イオン伝導材料の創成を目指す。さらに全固体電池への実装を行い、固体電解質としての実用性を検討する。
・具体的には、錯体水素化物の固溶化による結晶構造制御指針を様々な錯体水素化物へと拡張し、その高速イオン伝導相の室温安定化を目指す。評価法としては、得られた試料の構造を粉末X線・中性子回折により解析する。また電気化学インピーダンス法によりイオン伝導率を測定し、構造制御効果を確認する。合わせて化学構造をラマン・赤外分光法、中性子準弾性散乱法、核磁気共鳴法で、熱特性を示差熱天秤ー質量分析法で評価する。
・作製したイオン伝導体を用いて全固体電池を作成し、高速充放電特性及びサイクル安定性を評価し固体電解質材料としての実用性を検討する。試料の電位窓および電気化学的安定性をサイクリックボルタモグラム、粉末X線回折、顕微ラマンにより評価する。また、主な電極材料との界面反応性をSTEMによる構造解析および薄膜試料のX線回折・インピーダンス測定によって補完する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 2件、 査読あり 9件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 1件) 図書 (2件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Complex Hydride Solid Electrolytes of the Li(CB9H10)-Li(CB11H12) Quasi-Binary System: Relationship between the Solid Solution and Phase Transition, and the Electrochemical Properties2020

    • 著者名/発表者名
      Sangryun Kim, Kazuaki Kisu, Shigeyuki Takagi, Hiroyuki Oguchi, Shin-ichi Ori
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 3 ページ: 4831-4839

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c00433

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Room temperature operation of all-solid-state battery using a closo-type complex hydride solid electrolyte and a LiCoO2 cathode by interfacial modification2020

    • 著者名/発表者名
      Kim Sangryun、Harada Kentaro、Toyama Naoki、Oguchi Hiroyuki、Kisu Kazuaki、Orimo Shin-ichi
    • 雑誌名

      Journal of Energy Chemistry

      巻: 43 ページ: 47~51

    • DOI

      10.1016/j.jechem.2019.08.007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Materials for hydrogen-based energy storage: past, recent progress and future outlook2020

    • 著者名/発表者名
      Hirscher Michael et al.
    • 雑誌名

      Journal of Alloys and Compounds

      巻: 827 ページ: 153548~153548

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2019.153548

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Microstructural analyses of all-solid-state Li-S batteries using LiBH4-based solid electrolyte for prolonged cycle performance2020

    • 著者名/発表者名
      Kazuaki Kisu、Sangryun Kim、Ryuga Yoshida、Hiroyuki Oguchi、Naoki Toyama、Shin-ichi Orimo
    • 雑誌名

      Journal of Energy Chemistry

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1016/j.jechem.2020.03.069

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnesium Borohydride Ammonia Borane as a Magnesium Ionic Conductor2020

    • 著者名/発表者名
      Kisu Kazuaki、Kim Sangryun、Inukai Munehiro、Oguchi Hiroyuki、Takagi Shigeyuki、Orimo Shin-ichi
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 3 ページ: 3174-3179

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c00113

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pseudo-ternary LiBH4-LiCl-P2S5 system as structurally disordered bulk electrolyte for all-solid-state lithium batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Abdel El Kharbachi、Julia Wind、Amund Ruud、Astrid B. Hogset、Magnus M. Nygard、Junxian Zhang、Magnus H. Sorby、Sangryun Kim、Fermin Cueva、Shin-ichi Orimo、Maximilian Fichtner、Michel Latroche、Helmer Fjellvag、Bjorn C. Hauback
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1039/D0CP01334J

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Reorientational motion and Li+-ion transport in Li2B12H12 system: Molecular dynamics study2019

    • 著者名/発表者名
      Sau Kartik、Ikeshoji Tamio、Kim Sangryun、Takagi Shigeyuki、Akagi Kazuto、Orimo Shin-ichi
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 3 ページ: 075402

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.3.075402

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interfacial stability between LiBH4-based complex hydride solid electrolytes and Li metal anode for all-solid-state Li batteries2019

    • 著者名/発表者名
      Kisu Kazuaki、Kim Sangryun、Oguchi Hiroyuki、Toyama Naoki、Orimo Shin-ichi
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 436 ページ: 226821~226821

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2019.226821

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Epitaxial Film Growth of LiBH4 via Molecular Unit Evaporation2019

    • 著者名/発表者名
      Oguchi Hiroyuki、Kim Sangryun、Maruyama Shingo、Horisawa Yuhei、Takagi Shigeyuki、Sato Toyoto、Shimizu Ryota、Matsumoto Yuji、Hitosugi Taro、Orimo Shin-ichi
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 1 ページ: 1792~1796

    • DOI

      10.1021/acsaelm.9b00350

    • 査読あり
  • [学会発表] 錯体水素化物超リチウムイオン伝導体の水分安定性と水溶媒を用いた液相合成2020

    • 著者名/発表者名
      金相侖、木須一彰、松浦豊、野口敬太、野上玄器、折茂慎一
    • 学会等名
      電気化学会第87回大会
  • [学会発表] 錯体水素化物固体電解質の水分安定性と水溶媒を用いた液相合成2020

    • 著者名/発表者名
      金相侖、木須一彰、松浦豊、野口敬太、野上玄器、折茂慎一
    • 学会等名
      金属学会 2020年春期(第166回)講演大会
  • [学会発表] 水素化物超リチウムイオン伝導材料の開発と次世代エネルギーデバイスへの応用2019

    • 著者名/発表者名
      金相侖
    • 学会等名
      金属学会 2019年秋期(第165回)講演大会
    • 招待講演
  • [図書] 全固体電池の界面抵抗低減と作製プロセス、評価技術(第4章, 第5節)2020

    • 著者名/発表者名
      金相侖、木須一彰、折茂慎一
    • 総ページ数
      -
    • 出版者
      NTS
    • ISBN
      978-4-86104-780-0
  • [図書] 全固体リチウム電池の開発動向と応用展望(第1編, 第9章)2019

    • 著者名/発表者名
      金相侖、折茂慎一
    • 総ページ数
      -
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1419-8
  • [産業財産権] LiCB9H10の高温相を含むイオン伝導体およびその製造方法2020

    • 発明者名
      金相侖、木須一彰、折茂慎一、野口敬太、野上玄器、松浦豊
    • 権利者名
      金相侖、木須一彰、折茂慎一、野口敬太、野上玄器、松浦豊
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2020-24326
  • [産業財産権] 正極材料および二次電池2020

    • 発明者名
      金相侖、折茂慎一ら
    • 権利者名
      金相侖、折茂慎一ら
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2020-038515

URL: 

公開日: 2021-01-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi