高密度水素化物の材料科学－水素の結合自由度を利用したハイドライド・ギャップの克服

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25220911
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 折茂 慎一 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (40284129)
• 研究分担者: 齋藤 寛之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (20373243)
• 研究期間 (年度): 2013-05-31 – 2018-03-31
• キーワード: 水素 / 構造・機能材料 / 結合自由度 / エネルギー / 水素化物 / イオン電導 / 固体電解質 / 全固体二次電池

研究実績の概要

平成26年度までに注力したCrからCuに至る3d遷移金属、さらに平成27年度の4d・5d遷移金属などの研究対象をさらに広げるとともに、本年度は特に水素配位数が9の[MH9]錯イオンとヒドリドイオンH-が共存した新たな高密度水素化物の探索を通して、これらに特有の高速イオン伝導性や超伝導性などの新規物性を研究した。候補水素化物の選定にかかわる第一原理計算では拡張した計算機リソースを利用して計算精度を上げ、さらに出発原料の微細構造と分散性を向上させる技術を確立することで、実際に[MH9]とH-が共存したLi5MoH11・Li5WH11・Li6NbH11・Li6TaH11などの新たな高密度水素化物群の合成に成功した。またNiを含む錯イオン[NiH4]を中心に、金属水素化物から錯体水素化物への遷移現象やその際に形成される前駆物質[NiH1～3]錯イオンなどの量子ビームによる精密解明に至った。これらの研究成果の統合により、原子構造と電子構造とを個別の最適指標でデータベースとして纏め、前者に関しては水素化物中でのイオン充填率を、また後者に関しては陽イオンを形成する金属の電気陰性度や磁化測定から評価した化学結合性を、それぞれ指標としたデータベース化も進めた。リチウムおよびナトリウムイオン伝導性に関しては、[CB11H12] および[CB9H10]錯イオンを含む複数のクラスター型錯イオンが「共存」する高速イオン伝導水素化物を合成することで、室温付近でのイオン伝導性をさらに高めるとともに、それらを固体電解質として用いた蓄電デバイスの安定動作も実証した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

水素化物中でのイオン充填率などを新たな指標とした原子構造に関する情報統合とデータベース化に成功した。さらに、水素と反応しにくいとされていたモリブデンなどの金属原子に9つもの水素を結合させるための計算・合成技術を獲得することで目的としたハイドライド・ギャップの克服にも目途をつけた。これらを総合的に勘案して、「当初の計画以上に進展している」と自己評価した。

今後の研究の推進方策

水素配位数が8の新たな高密度水素化物を含めて[MH4]から[MH9]にわたる多様な錯イオンを含む高密度水素化物の系統的研究を実施、金属水素化物から錯体水素化物への遷移現象なども利用して目的としたハイドライド・ギャップの克服を完遂する。引き続き、拡張した計算機リソースを利用して候補水素化物の選定のための計算精度を上げるとともに、合成した一連の高密度水素化物に特有の高速リチウム・ナトリウムイオン伝導性や高圧力下での超伝導性などの新規物性・機能性を探索する。また、熱力学的・化学的に安定なクラスター型錯イオンを共存させた新たな高速イオン伝導水素化物の組成最適化とそれらを固体電解質として用いた次世代蓄電デバイスの設計も進める。

研究成果

• [国際共同研究] Institute for Energy Research(Norway)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: Institute for Energy Research
• [国際共同研究] Nat. Inst. Standards and Technology/University of Maryland/Sandia National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Nat. Inst. Standards and Technology/University of Maryland/Sandia National Laboratory
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] EPFL/EMPA Materials Science and Technology(Switzerland)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: EPFL/EMPA Materials Science and Technology
• [国際共同研究] Russian Academy of Sciences(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Russian Academy of Sciences
• [雑誌論文] In-situ powder neutron diffraction study on the formation process of LaMg2NiH7 (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sato, K. Ikeda, M. Matsuo, K. Miwa, T. Otomo, S.Deledda, B.C. Hauback, G. Li, S.Takagi, S. Orimo
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 42 ページ: 22449-22453
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.02.196
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Imaging the hydrogenation of Mg thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Hadjixenophontos, M. Roussel, T. Sato, A. Weigel, P. Stender, S. Orimo, G. Schmitz
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 42 ページ: 22411-22416
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.04.010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of anion reorientational dynamics in MCB9H10 and M2B10H10 (M = Li, Na) via nuclear magnetic resonance and quasielastic neutron scattering studies (2017)
  • 著者名/発表者名: A.V. Soloninin, M. Dimitrievska, R.V. Skoryunov, O.A. Babanova, A.V. Skripo, W.S. Tang, V. Stavila, S. Orimo, T.J. Udovic
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 121 ページ: 1000-1002
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b09113
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Infrared spectroscopic and computational studies on Li4FeH6 with high gravimetric hydrogen density (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Ogata, T. Sato, S. Takagi, H. Saitoh, Y. Iijima, B. Paik, S. Orimo
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: 58 ページ: 157-159
  • DOI: 10.2320/matertrans.M2016345
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 錯体水素化物を用いた高耐熱全固体リチウムイオン二次電池の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木渉平, 川治純, 宇根本篤, 吉田浩二, 折茂慎一
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 56 ページ: 76-78
  • DOI: 10.2320/materia.56.76
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast sodium ionic conduction in Na2B10H10-Na2B12H12 pseudo-binary complex hydride and application to a bulk-type all-solid-state battery (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshida, T. Sato, A. Unemoto, M. Matsuo, T. Ikeshoji, T.J. Udovic, S. Orimo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: 103901-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4977885
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] エネルギー材料としての水素化物の研究開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一, 中村優美子, 石川和宏, 西村睦, 亀川厚則
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 56 ページ: 130-134
  • DOI: 10.2320/materia.56.130
• [雑誌論文] Formation of novel transition metal hydride complexes with ninefold hydrogen coordination (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Takagi, Y. Iijima, T. Sato, H. Saitoh, K. Ikeda, T. Otomo, K. Miwa, T. Ikeshoji, S. Orimo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 44253-1-8
  • DOI: 10.1038/srep44253
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Liquid-like ionic conduction in solid lithium and sodium monocarba-closo-decaborates near or at room temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: W.S. Tang, M. Matsuo, H. Wu, V. Stavila, W. Zhou, A.A. Talin, A.V. Soloninin, R.V. Skoryunov, O.A. Babanova, A.V. Skripov, A. Unemoto, S. Orimo, T.J. Udovic
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 6 ページ: 1502237-1-6
  • DOI: 10.1002/aenm.201502237
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Complex and liquid hydrides for energy storage (2016)
  • 著者名/発表者名: E. Callini, Z.O.K. Atakli, B.C. Hauback, S. Orimo, C. Jensen, M. Dornheim, D. Grant, Y.W. Cho, P. Chen, B. Hjorvarsson, P. de Jongh, C. Weidenthaler, M. Baricco, M. Paskevicius, T.R. Jensen, M.E. Bowden, T.S. Autrey, A. Zuttel
  • 雑誌名: Applied Physics A 巻: 122 ページ: 353-1-22
  • DOI: 10.1007/s00339-016-9881-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Extending the applicability of the Goldschmidt tolerance factor to arbitrary ionic compounds (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Sato, S. Takagi, S. Deledda, B.C. Hauback, S. Orimo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 23592-1-10
  • DOI: 10.1038/srep23592
  • 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] Effect of the structural evolution on the ionic conductivity of Li-N-H system during the dehydrogenation (2016)
  • 著者名/発表者名: B. Paik, M. Matsuo, T. Sato, L. Qu, A.R. Wolczyk, S. Orimo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 108 ページ: 213903-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4952601
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Stabilizing lithium and sodium fast-ion conduction in solid polyhedral-borate salts at device-relevant temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: W.S. Tang, M. Matsuo, H. Wu, V. Stavila, A. Unemoto, S. Orimo, T.J. Udovic
  • 雑誌名: Energy Storage Materials 巻: 4 ページ: 79-83
  • DOI: 10.1016/j.ensm.2016.03.004
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Carbon-rich active materials with macrocyclic nanochannels for high-capacity negative electrodes in all-solid-state lithium rechargeable batteries (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Sato, A. Unemoto, T. Ikeda, S. Orimo, H. Isobe
  • 雑誌名: Small 巻: 12 ページ: 3381-3387
  • DOI: 10.1002/smll.201600916
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bulk-type all-solid-state lithium batteries using complex hydrides containing cluster-anions (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Unemoto, K. Yoshida, T. Ikeshoji, S. Orimo
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: 57 ページ: 1639-1644
  • DOI: 10.2320/matertrans.MAW201601
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Stabilizing superionic-conducting structures via mixed-anion solid solutions of monocarba-closo-borate salts (2016)
  • 著者名/発表者名: W.S. Tang, K. Yoshida, A.V. Soloninin, R.V. Skoryunov, O.A. Babanova, A.V. Skripov, M. Dimitrievska, V. Stavila, S. Orimo, T.J. Udovic
  • 雑誌名: ASC Energy Letters 巻: 1 ページ: 659-664
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00310
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hydrogen release reactions of Al-based complex hydrides enhanced by vibrational dynamics and valences of metal cations (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Sato, A.J. Ramirez-Cuesta, L. Daemen, Y.-Q. Cheng, K. Tomiyasu, S. Takagi, S. Orimo
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 52 ページ: 11807-11810
  • DOI: 10.1039/c6cc05199e
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Impact of severe plastic deformation on microstructure and hydrogen storage of titanium-iron-manganese intermetallics (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Edalati, M. Matsuo, H. Emami, S. Itano, A. Alhamidi, A. Staykov, D.J. Smith, S. Orimo, E. Akiba, Z. Horita
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 124 ページ: 108-111
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.07.007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 錯体水素化物固体電解質と硫化物ガラス固体電解質の ハイブリッド利用による室温動作可能な4 V 級バルク型 全固体リチウム二次電池の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宇根本篤, 野上玄器, 田沢勝, 谷口貢, 折茂慎一
  • 雑誌名: 日本金属学会誌 巻: 80 ページ: 720-725
  • DOI: 10.2320/jinstmet.JD201601
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The renaissance of hydrides as energy materials (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Mohtadi, S. Orimo
  • 雑誌名: Nature Reviews Materials 巻: 2 ページ: 16091-1-15
  • DOI: 10.1038/natrevmats.2016.91
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 新規金属水素化物の高温高圧合成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 齋藤寛之, 髙木成幸, 折茂慎一, 青木勝敏
  • 雑誌名: 粉体および粉末冶金 巻: 63 ページ: 298-305
  • 査読あり
• [学会発表] Complex hydrides for advanced energy device research (2017)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: MANA International Symposium 2017
  • 発表場所: つくば国際会議場 （茨城県つくば市）
  • 年月日: 2017-02-28 – 2017-03-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高密度水素化物の材料科学 －量子ビーム科学への期待－ (2017)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: JAEA-QST 放射光科学シンポジウム 2017
  • 発表場所: SPring-8 （兵庫県佐用町）
  • 年月日: 2017-02-23 – 2017-02-24
  • 招待講演
• [学会発表] Complex hydrides for advanced battery devices (2017)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: The AIMR International Symposium 2017(AMIS2017)
  • 発表場所: 仙台国際センター （宮城県仙台市）
  • 年月日: 2017-02-12 – 2017-02-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高密度水素化物の材料科学 - 次世代電池デバイスへの展開 - (2017)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: 産総研・東北大数理先端材料モデリングオープンイノベーションラボラトリ(MathAM-OIL) 第１回企業連携ワークショップ
  • 発表場所: TKPガーデンシティPREMIUM神保町 （東京都千代田区）
  • 年月日: 2017-01-25 – 2017-01-25
  • 招待講演
• [学会発表] Complex hydrides for energy device research (2016)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: French Japanese Innovation Year, "French-Japanese symposium on green production and storage of hydrogen "
  • 発表場所: ナレッジキャピタル （大阪府大阪市）
  • 年月日: 2016-12-06 – 2016-12-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced hydride research for all-solid-state battery devices (2016)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: Japan (JST)-Switzerland (ETHZ) Joint Workshop "Hydrogen Technology and Energy Storage"
  • 発表場所: ルポール麹町 （東京都千代田区）
  • 年月日: 2016-10-05 – 2016-10-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高密度水素化物の材料科学 －“伝導”と“遷移”による新たなエネルギー機能の発現－ (2016)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: 日本学術会議材料化学分科会市民公開シンポジウム「複合材料における複雑・階層構造形成のDynamics （新しい材料化学の方向性を探る）」
  • 発表場所: 日本学術会議（東京都港区）
  • 年月日: 2016-08-17 – 2016-08-17
  • 招待講演
• [学会発表] An increasing diversity of complex hydride research (2016)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: International Symposium on Metal-Hydrogen Systems 2016 (MH2016)
  • 発表場所: Interlaken （スイス）
  • 年月日: 2016-08-07 – 2016-08-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Complex hydrides as advanced battery materials (2016)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: HYDEM2016, HYDRIDES AS ENERGY MATERIALS
  • 発表場所: Aarhus （デンマーク）
  • 年月日: 2016-06-01 – 2016-06-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced hydride research for energy storages (2016)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: E-MRS, Function-Assembly of Nano-Materials towards Electronics, Energy and Biological Applications (Organized the WPI Centers in Japan)
  • 発表場所: Lille （フランス）
  • 年月日: 2016-05-02 – 2016-05-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Innovative hydrogen functions for super smart society (2016)
  • 著者名/発表者名: 折茂慎一
  • 学会等名: The Japan-US Round Table for Innovation and Collaboration in Super Smart Society
  • 発表場所: Washington D.C. （アメリカ）
  • 年月日: 2016-04-21 – 2016-04-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東北大学 金属材料研究所 折茂研究室
  • URL: http://www.hydrogen.imr.tohoku.ac.jp/
• [備考] 東北大学 金属材料研究所
  • URL: http://www.imr.tohoku.ac.jp/
• [備考] 東北大学 材料科学高等研究所
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/index.html
• [産業財産権] リチウム空気電池 (2013)
  • 発明者名: 蓑輪浩伸, 林政彦, 小林隆一, 折茂慎一, 松尾元彰
  • 権利者名: 日本電信電話株式会社, 国立大学法人東北大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 6048937
  • 出願年月日: 2013-06-18
  • 取得年月日: 2016-12-02