大強度パルス中性子によるミリ秒オーダー構造観測技術の開発と蓄電池研究への応用

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24710093
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 森 一広 京都大学, 原子炉実験所, 准教授 (40362412)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 中性子回折 / イオン伝導体 / 電池材料

研究実績の概要

本研究の目的は、大強度陽子加速器施設／物質生命科学実験施設（J-PARC／MLF、東海村）に設置されている中性子回折装置群を利用し、40ms毎に発生する大強度パルス中性子の特徴を活かしたミリ秒オーダー時分割構造観測技術の開発を行い、蓄電池研究（例えば、正極材や固体電解質中のリチウム位置の時間変化）等へ応用することである。中性子は、物質中の軽元素（水素、リチウムおよび酸素）の位置（構造）や動的挙動（ダイナミクス）の観測に優れていることから、本研究で開発したミリ秒オーダー時分割構造観測技術とダイナミクス観測を併用することで、電池反応等の軽元素に関連する非平衡状態の解明が期待される。
平成26年度（最終年度）は、全固体セル（「Li｜Li7P3S11準安定結晶｜In」）を構築し、J-PARC／MLFの中性子回折装置を利用して充放下での中性子回折実験を実施した。また、本研究で開発したリバースモンテカルロモデリングとBond Valence Sum解析を組み合わせたリチウムイオン伝導経路視覚化技術（RMC&BVS解析）を利用し、歪んだ結晶やガラス物質でのリチウムイオン伝導経路の視覚化に成功した。その結果、RMC&BVS解析から求められたリチウムイオンの動きやすさを示すパラメーターの組成変化と電気伝導度測定から得られた活性化エネルギーの組成変化が一致し、構造と物性との接点を示すことに成功した。さらに、中性子準弾性散乱実験から得られたリチウムイオンのジャンプ距離がイオン伝導経路における安定サイト間距離と一致し、構造とダイナミクスとの接点を示すことにも成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Visualization of conduction pathways in a lanthanum lithium titanate superionic conductor synthesized by rapid cooling (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Mori, S. Tomihira, K. Iwase, T. Fukunaga
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 268 ページ: 76-81
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2014.09.030
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 非晶質系リチウムイオン伝導体の構造とイオン伝導経路 (2014)
  • 著者名/発表者名: 森一広、福永俊晴、小野寺陽平
  • 雑誌名: 日本中性子科学会「波紋」 巻: 24 ページ: 267-272
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Novel monolayer shields of a neutron powder diffractometer SPICA at BL09 of J–PARC (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kawai, M. Yonemura, S. Torii, T. Muroya, K. Mori, T. Fukunaga, K. Okuno, K. Takeda, K. Niita, T. Kamiyama
  • 雑誌名: Progress in Nuclear Science and Technology 巻: 4 ページ: 156-159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutron diffraction studies on structural effect for Ni-doping in LiCo1–xNixO2 (2014)
  • 著者名/発表者名: D. S. Adipranoto, T. Ishigaki, A. Hoshikawa, K. Iwase, M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, Y. Morii, M. Hayash
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 262 ページ: 92-97
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.11.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural origin of ionic conductivity for Li7P3S11 metastable crystal by neutron and X-ray diffrcation (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Onodera, K. Mori, T. Otomo, H. Arai, Y. Uchimoto, Z. Ogumi, T. Fukunaga
  • 雑誌名: J. Phys.: Conference Series 巻: 502 ページ: 012021
  • DOI: 10.1088/1742-6596/502/1/012021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of SPICA, new dedicated neutron powder diffractometer for battery studies (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, T. Fukunaga, S. Torii, M. Nagao, Y. Ishikawa, Y. Onodera, D. S. Adipranoto, H. Arai, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • 雑誌名: J. Phys.: Conference Series 巻: 502 ページ: 012053
  • DOI: 10.1088/1742-6596/502/1/012053
  • 査読あり
• [学会発表] Li2S-GeS2超イオン伝導ガラスの電気伝導と局所構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 森一広、古田幸三、小野寺陽平、福永俊晴
  • 学会等名: 日本金属学会2015年春期講演大会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [学会発表] メカニカルアロイング法で作製したLi-Ge-P-S系のイオン伝導空間解 (2015)
  • 著者名/発表者名: 笠井拓矢、小野寺陽平、森一広、福永俊晴
  • 学会等名: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • 発表場所: 京都大学原子炉実験所
  • 年月日: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [学会発表] 中性子／Ｘ線によるNa-P-S系超イオン伝導体の構造研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小野寺陽平、中島広志、森一広、福永俊晴
  • 学会等名: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • 発表場所: 京都大学原子炉実験所
  • 年月日: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [学会発表] Li2S-GeS2系超イオン伝導ガラスの構造と電気伝導特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 古田幸三、森一広、小野寺陽平、福永俊晴
  • 学会等名: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • 発表場所: 京都大学原子炉実験所
  • 年月日: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [学会発表] Li2S-P2S5系超イオン伝導ガラスのリチウムイオン伝導経路評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 延壽寺啓悟、森一広、市田智晴、小野寺陽平、福永俊晴
  • 学会等名: 第49回京都大学原子炉実験所学術講演会
  • 発表場所: 京都大学原子炉実験所
  • 年月日: 2015-01-28 – 2015-01-29
• [学会発表] 急冷処理を施したLi0.4La0.53TiO3超イオン伝導体中のボトルネック評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 森一広、冨平昌吾、福永俊晴
  • 学会等名: 日本中性子科学会第14回年会
  • 発表場所: 北海道立道民活動センター「かでる２・７」（札幌市）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [学会発表] 充放電下の電極構造変化の直接観測 - SPICAを用いたin operando 中性子回折の現状 (2014)
  • 著者名/発表者名: 米村雅雄、石川喜久、鳥居周輝、富安亮子、神山崇、Dyah Sulistyanintyas、中貴弘、森島慎、塩谷真也、小松秀行、松永利之、三井昭男、佐藤健児、菅谷英生、下田景士、右京良雄、荒井創、小久見善八、田港聡、平山雅章、菅野了次、北村尚斗、井手本康、内本喜晴、森一広、福永俊晴、小野寺陽平
  • 学会等名: 日本中性子科学会第14回年会
  • 発表場所: 北海道立道民活動センター「かでる２・７」（札幌市）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [学会発表] 中性子回折によるLi-Ge-P-S系ガラス／結晶のイオン伝導空間解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 笠井拓矢、小野寺陽平、森一広、福永俊晴
  • 学会等名: 日本中性子科学会第14回年会
  • 発表場所: 北海道立道民活動センター「かでる２・７」（札幌市）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [学会発表] 中性子／Ｘ線によるNa-P-S系超イオン伝導ガラスの構造研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野寺陽平、中島広志、森一広、福永俊晴、大友季哉
  • 学会等名: 日本中性子科学会第14回年会
  • 発表場所: 北海道立道民活動センター「かでる２・７」（札幌市）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [学会発表] Li2S-P2S5系超イオン伝導ガラスのリチウムイオン伝導経路評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 延壽寺啓悟、森一広、福永俊晴
  • 学会等名: 日本中性子科学会第14回年会
  • 発表場所: 北海道立道民活動センター「かでる２・７」（札幌市）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [学会発表] Li2S-GeS2系超イオン伝導ガラスの構造解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 古田幸三、森一広、小野寺陽平、福永俊晴
  • 学会等名: 日本中性子科学会第14回年会
  • 発表場所: 北海道立道民活動センター「かでる２・７」（札幌市）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-12
• [学会発表] 急冷処理を施したLi3xLa2/3-xTiO3超イオン伝導体の伝導経路とボトルネック評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 森一広、冨平昌吾、福永俊晴、Joan Siewenie
  • 学会等名: 第40年固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 東京工業大学
  • 年月日: 2014-11-16 – 2014-11-18
• [学会発表] 中性子／Ｘ線回折によるNa-P-S系の構造とイオン伝導特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野寺陽平、中島広志、森一広、大友季哉、福永俊晴
  • 学会等名: 第40年固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 東京工業大学
  • 年月日: 2014-11-16 – 2014-11-18
• [学会発表] 急冷処理を施したLi0.4La0.53TiO3超イオン伝導体中のボトルネックの形状評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 森一広、冨平昌吾、福永俊晴
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Li2S-GeS2系超イオン伝導ガラスの構造評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 古田幸三、森一広、小野寺陽平、福永俊晴
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Li2S-P2S5系超イオン伝導ガラスのリチウムイオン分布と可動経路 (2014)
  • 著者名/発表者名: 延壽寺啓悟、森一広、市田智晴、小野寺陽平、福永俊晴
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Na-P-S系超イオン伝導体におけるイオン伝導空間の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野寺陽平、中島広志、森一広、大友季哉、福永俊晴
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] メカニカルアロイング法で作製したLi-Ge-P-S系超イオン伝導体の構造研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 笠井拓矢、小野寺陽平、森一広、福永俊晴
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] 非晶質系固体電解質のリチウムイオン伝導経路の視覚化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 森一広、市田智晴、小野寺陽平、福永俊晴
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第27回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2014-09-09 – 2014-09-11
  • 招待講演
• [学会発表] 中性子および放射光Ｘ線回折によるNa-P-S系のイオン伝導空間解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野寺陽平、中島広志、森一広、福永俊晴
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第27回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [学会発表] Local structures and conduction pathways of Li ions for Li3xLa 2/3-xTiO3 synthesized by rapid cooling (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Mori, S. Tomihira, T. Fukunaga, J. Siewenie
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [学会発表] Local structures and electrochemical properties of Li2S-GeS2 superionic glasses (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Furuta, K. Mori, T. Fukunaga, Y. Onodera, T. Otomo
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [学会発表] Structure and conductivity of Na-P-S superionic conducting glasses studied by neutron and X-ray diffraction (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Onodera, H. Nakashima, K. Mori, T. Otomo, T. Fukunaga
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [学会発表] Neutron aided battery analysis: status and prospects (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Arai, M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, T. Fukunaga, Y. Onodera, A. Mitsui, T. Naka, M. Morishima, H. Sugaya, H. Komatsu, Y. Orikasa, Y. Ishikawa, D. Sulistyanintyas, K. Shimoda, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [学会発表] Development of in situ technique for battery study using special environment neutron powder diffractometer, SPICA (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Yonemura, K. Mori, T. Kamiyama, T. Fukunaga, Y. Ishikawa, S. Torii, R. Tomiyasu, D. Sulistyanintyas, Y. Onodera, A. Mitsui, T. Naka, M. Morishima, H. Sugaya, H. Komatsu, M. Hirayama, R. Kanno, N. Kitamura, Y. Idemoto, K. Shimoda, Y. Ukyo, H. Arai, Y. Uchimoto, Z. Ogumi
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2014-07-12 – 2014-07-15