H-導電性材料のメカノケミカル合成

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 機能コアの材料科学
• 研究課題/領域番号: 22H04514
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 小林 玄器 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (30609847)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: メカノケミカル合成 / ヒドリドイオン導電体 / 混合導電体 / 触媒

研究実績の概要

蛍石型構造のLaH3-δは、高いヒドリドイオン導電性を示すが、水素欠陥の導入に伴って電子伝導性が発現してしまうため、固体電解質への応用が困難である。これまで、Hの一部をOに置き換えることで電子伝導性の発現を抑えることが試みられ、輸率測定においては電子伝導性が抑えられることが報告されていた。しかし、電池の固体電解質として機能するかどうかは未検証であった。本研究課題では、LaH3-δとSrH2の固溶体をメカノケミカル法によって合成し、電気的陽性なSrの導入によるH-の安定化、ひいてはH-導電性固体電解質としての機能発現を試みた。
LaH3-δの表面に存在する酸化皮膜の影響により、得られた生成物は、僅かに酸素を含む酸水素化物La1-xSrxH3-x-2yOy（0 < x < 0.7, y = 0.15）となり、組成x = 0.1, 0.2, 0.3は10-4 S/cm程度の比較的高い導電率を室温で示した。さらに、La1-xSrxH3-x-2yOyを固体電解質に用い、LaH3-d|La1-xSrxH3-x-2yO2|Tiで構成される全固体型の電池を作製して理論容量まで定電流放電反応をおこなったとこころ、Sr量が0.2以上ではTiを完全にTiH2まで完全に水素化させることに成功した。これは、ヒドリドイオン導電体を用いた電気化学反応で初めてファラデー効率100%を達成した成果である。一方、x = 0.1では電池が短絡したことから、LaH3-δの電子伝導性発現を抑制し、固体電解質として機能させるためには、Srのような電気的陽性なカチオンを少なくとも20%以上固溶させることが必要であるということが確認できた。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Magnetic Properties of Multifunctional 7LiFePO4 under Hydrostatic Pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Ugne Miniotaite, Ola Kenji Forslund, Elisabetta Nocerino, Frank Elson, Rasmus Palm, Nami Matsubara, Yuqing Ge, Rustem Khasanov, Genki Kobayashi, Yasmine Sassa, Jonas Weissenrieder, Vladimir Pomjakushin, Daniel Andreica, Jun Sugiyama, and Martin Mテ・nsson
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2642 ページ: 012049-012049
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012049
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A new family of anti-perovskite oxyhydrides with tetrahedral GaO4 polyanions (2023)
  • 著者名/発表者名: Nur Ika Puji Ayu, Fumitaka Takeiri, Takafumi Ogawa, Akihide Kuwabara, Masato Hagihala, Takashi Saito,Takashi Kamiyama, and Genki Kobayashi
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 52 ページ: 15420-15425
  • DOI: 10.1039/d3dt01555f
  • 査読あり
• [雑誌論文] High H- Conductivities along the ab-Planes of La2LiHO3 Epitaxial Thin Films (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sasahara, Takashi Hirose, Masataka Yoshimoto, Naoki Matsui, Shigeru Kobayashi, Hiroki Ubukata, Fumitaka Takeiri, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Ryoji Kanno, Genki Kobayashi, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 23 ページ: 7103-7108
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.3c00376
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electropositive Metal Doping into Lanthanum Hydride for H- Conducting Solid Electrolyte Use at Room Temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Izumi, Fumitaka Takeiri, Kei Okamoto, Takashi Saito, Takashi Kamiyama, Akihide Kuwabara, Genki Kobayashi
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 13 ページ: 2301993(1-8)
  • DOI: 10.1002/aenm.202301993
  • 査読あり
• [学会発表] Electropositive Metal Doping into Lanthanum Hydride for Hydride ion Conducting Solid Electrolyte Use at Room Temperature. (2024)
  • 著者名/発表者名: Genki Kobayashi
  • 学会等名: core-to-core workshop in IMN
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] メカノケミカル法による新規岩塩型酸水素化物の合成と評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 楠本恵子、竹入史隆、川合航右、森一広、大久保將史、小林玄器
  • 学会等名: 電気化学会第91回大会
• [学会発表] La-Ba-H-S四元系相図に基づくH-導電体の探索 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上彰久、竹入史隆、森一広、大久保將史、小林玄器
  • 学会等名: 電気化学会第91回大会
• [学会発表] Effect of Anion Arrangement in Oxyhydrides on Hydride Ion Conductivity (2023)
  • 著者名/発表者名: Genki Kobayashi
  • 学会等名: 2023 Neutron Scattering for a Sustainable Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hydride Ion Conducting Materials: Development of Solid Electrolytes and Electrodes (2023)
  • 著者名/発表者名: Genki Kobayashi
  • 学会等名: The 15th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM15)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヒドリドイオン導電性材料の研究動向とデバイス応用に向けた取り組み (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林玄器
  • 学会等名: 2023年度水素・燃料電池材料研究会講座
  • 招待講演
• [学会発表] 元素置換によるBa-Li酸水素化物の高温相安定化とヒドリド導電性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢口寛, 岡本啓, 竹入史隆, 小林玄器
  • 学会等名: 第49回固体イオニクス討論会
• [備考] 理研プレスリリース: 室温で作動するH-導電性固体電解質の開発
  • URL: https://www.riken.jp/press/2023/20231020_4/index.html
• [産業財産権] ヒドリドイオン導電性を示す新規化合物とその製造方法並びに用途 (2023)
  • 発明者名: 小林玄器、矢口寛、竹入史隆、岡本啓
  • 権利者名: 小林玄器、矢口寛、竹入史隆、岡本啓
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2023-180481