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2021 年度 実績報告書

応力が蓄電固体デバイスの化学ポテンシャルに及ぼす影響の定量的評価

公募研究

研究領域蓄電固体デバイスの創成に向けた界面イオンダイナミクスの科学
研究課題/領域番号 20H05282
研究機関東北大学

研究代表者

木村 勇太  東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60774081)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
キーワード応力 / Li化学ポテンシャル
研究実績の概要

応力・歪みなどの力学因子が、蓄電固体デバイス材料の化学ポテンシャルに与える影響を定量的に評価する手法を開発し、両者の関係を明らかにすることを目的に、研究を行った。本研究で開発を行なった評価手法の概略は、以下のとおりである。まず、矩形上に成形した単結晶基板上に、測定対象とする材料のエピタキシャル薄膜を成膜した。その後、この単結晶基板に4点曲げにより荷重を負荷した。このように薄膜に応力を印加した状態で、プローブ用電解質・リファレンス電極を薄膜に接触させ、リファレンス電極と薄膜との間の起電力を測定した。この時に観測された起電力変化から、応力印加時のLi化学ポテンシャルの変化量を定量的に見積もった。4点曲げによる荷重負荷時、エピタキシャル薄膜には、薄膜の結晶の特定の方向に単軸応力が加わる。また、薄膜に加わる応力の大きさは、材料力学の知識を元に定量的に見積もることができる。したがって、この方法を用いることで、材料に加わる応力の大きさ・方向をある程度自在に制御できる。本研究では、003および104配向したLCOエピタキシャル薄膜に対して応力を印加した際のLi化学ポテンシャル変調を評価した。その結果、LCOの応力印加時のLi化学ポテンシャル変調には応力印加方向依存性があり、c軸に垂直に応力を印加する場合、圧縮/引張応力はLi化学ポテンシャルをそれぞれ増加/減少させ、反対にc軸に平行に応力を印加する場合は、圧縮/引張応力はLi化学ポテンシャルをそれぞれ減少/増加させることがわかった。また、応力印加時のLi化学ポテンシャルの変化量は、応募者が熱力学理論を元に導いた理論式から予測される値と、概ね一致することがわかった。本研究は、全固体電池をはじめとする蓄電固体デバイスにおける、応力による構成材料の材料特性変調、およびデバイス性能の変化を正しく理解する一助となることが期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Experimental Evaluation of Influence of Stress on Li Chemical Potential and Phase Equilibrium in Two-phase Battery Electrode Materials2021

    • 著者名/発表者名
      KIMURA Yuta、FUNAYAMA Keita、FAKKAO Mahunnop、NAKAMURA Takashi、KUWATA Naoaki、KAWADA Tatsuya、KAWAMURA Junichi、AMEZAWA Koji
    • 雑誌名

      Electrochemistry

      巻: 89 ページ: 355~362

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.21-00033

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] An appropriate reference and counter electrode in an all-solid-state battery using NASICON-structured solid electrolyte2021

    • 著者名/発表者名
      Kee Yongho、Suzuki Yasuhiro、Ishigaki Norikazu、Motoyama Munekazu、Kimura Yuta、Amezawa Koji、Iriyama Yasutoshi
    • 雑誌名

      Electrochemistry Communications

      巻: 130 ページ: 107108~107108

    • DOI

      10.1016/j.elecom.2021.107108

    • 査読あり
  • [学会発表] リチウムイオン電池正極材料における 応力印加によるLi化学ポテンシャル変調の定量的評価2022

    • 著者名/発表者名
      芳賀義弥, 船山啓太, 木村勇太, 中村崇司, 桑田直明, 川田達也, 河村純一, 雨澤浩史
    • 学会等名
      2022年 電気化学会第89回大会
  • [学会発表] 全固体電気化学デバイス構成材料における応力誘起の化学ポテンシャル変調の実験的評価2021

    • 著者名/発表者名
      木村 勇太, 舟山 啓太, マフノップ ファッカオ, 中村 崇司, 川田 達也, 桑田 直明, 河村 純一, 雨澤 浩史
    • 学会等名
      日本機械学会 M&M2021 材料力学カンファレンス
    • 招待講演
  • [学会発表] リチウムイオン電池正極材料における応力誘起の化学ポテンシャル変調の定量的評価2021

    • 著者名/発表者名
      芳賀義弥, 船山啓太, 木村勇太, 中村崇司, 桑田直明, 川田達也, 河村純一, 雨澤浩史
    • 学会等名
      第52回セミコンファレンス・第34回東北若手の会

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公開日: 2022-12-28  

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