2016 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ構造情報に基づいた新しい固体イオニクス材料の創出
| Project Area | Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation |
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| Project/Area Number |
25106009
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
菅野 了次 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (90135426)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田村 和久 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 物質科学研究センター, 研究副主幹 (10360405)
平山 雅章 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (30531165)
鈴木 耕太 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40708492)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 固体イオニクス / ナノ材料 / 結晶構造 / 高圧合成 / 電気化学界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギーデバイスに利用可能な固体イオニクス材料の創出のため、1「ナノ構造情報取得」、2「物性開拓」、3「材料探索指針の構築と新物質創成」を実施した。
1. PLD法で合成したリチウム電池正極LiMO2(M=Mn,Co,Ni)薄膜へ金属酸化物表面修飾を行い、各修飾法による電極劣化メカニズムを解析した。ZrO2を修飾した場合は電極表面に厚さ数nmのLi-Zr-O層が形成し、充放電中の結晶構造変化量を小さくすることで、特性劣化につながる電極構造の不可逆相転移を抑制することが分かった。一方で、WO3を修飾した場合には表面層が形成せずに電極表面5-10 nm程度の領域に固溶し、格子歪みが生じた。同様に特性の劣化は抑制され、僅かな元素の添加により格子歪みを制御することで、電極材料の安定性向上が可能であることが明らかになった。
2. 酸水素化物系ヒドリドイオン導電体La2LiHO3の合成プロセス開発を行った。既存の高圧法(1-3GPa)を見直し、水素分圧制御による合成を検討した。条件最適化により試料の母構造を維持したK2NiF4型相が得られることが分かった。水素二気圧の条件で合成した試料のイオン導電率は高圧法と比べて向上した。水素分圧制御により、構造内のイオン濃度・分布が変化することでイオン導電特性が変化することが明らかになった。合成プロセス開発によりヒドリドイオン導電体の物性制御が可能であることを見出した。
3. A02(エ)班との連携により、酸化物系リチウムイオン導電体の探索を行った。Li-B-P-Oからなる新組成・新構造の物質を理論計算で予測し、その合成に着手した。固相法、真空封入法、高圧法などにより合成を試みた。さらに合成条件の拡大を目指して合成手法を多様化することや、予測組成の拡大により、シンセシス型とアナリシス型を融合した材料開発の実現に向けた取り組みを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
項目1においてリチウム電池電極界面におけるナノ構造情報と電池特性との相関を明らかにし、理想的な電極界面構築に向けた指針を得ている。僅かな元素添加と格子歪みが電極安定性へもたらす影響が極めて大きいことを明らかにした。項目2においては、既存物質の合成プロセス開発により物性変化が可能であることが明らかになり、新物質設計への大きな手がかりを得た。項目3については、酸化物系リチウムイオン導電体の開発を中心に、合成と理論が融合した新しい材料探索方法の確立に向けて順調に研究が進展している。以上より、本年度の進捗は、当初計画に沿って順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は順調に進捗している．最終年度においては，これまでに得られた成果を最大限に発展させるための取り組みを各項目について行う．項目1，2では新規イオニクス材料の合成(A03)，ナノ構造情報の取得と理論計算(A01, A02)の連携を発展させ、ナノ構造情報と発現する物性の相関を明らかにする．また，新しい取り組みとして，酸水素化物系材料の薄膜化による物性開拓に取り組む．項目3ではリチウム導電体に集中し，理論予測と合成科学の融合により，組成に基づいた探索を高度化させ新材料発見を目指す．並行してナノ構造情報の取得，物性開拓を行い，「ナノ構造情報に基づいた新しい固体イオニクス材料創出」の進むべき道筋を探る．
項目1：「イオニクス材料のナノ構造情報取得」リチウム，酸化物，ヒドリドイオン導電が関与する材料および，デバイス系に対して電子顕微鏡・量子ビームを利用したナノ構造解析を進める．電気化学反応場での構造解析に注力し，反応可逆性，出力特性と行ったデバイス性能と強く相関する電気化学反応中の界面構造変化を明らかにする．
項目2：「イオニクス材料の物性開拓」ヒドリドイオン導電体として開発を進めてきた酸水素化物材料の機能・物性評価を進める．薄膜化による物性変化，材料の磁気特性などに注目し，既存材料の新機能の発現を目指す．新構造，新組成の材料開発を進め，1s軌道が格子に与える影響，物性との相関を明らかにし，A02(エ)班との連携により理論的裏付けを行い，物性開拓指針の方向性を見出す．
項目3：「材料探索指針の構築と新物質創成」ヒドリド，酸化物イオン，リチウム導電体の新規なイオニクス材料を創出する．特にリチウム導電体において，実験，計算の融合により理論予測の高度化と予測材料の創出を目指す．項目1，2で得られたナノ構造情報についても探索領域の決定に反映させ，新しい材料探索方法の確立へと道筋を立てる．
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[Journal Article] Study on the deterioration mechanism of layered rock-salt electrodes using epitaxial thin films － Li(Ni, Co, Mn)O2 and their Zr-O surface modified electrodes2017
Author(s)
Machiko Abe, Hideaki Iba, Kota Suzuki, Hiroaki Minamishima, Masaaki Hirayama, Kazuhisa Tamura, Jun'ichiro Mizuki, Tomohiro Saito, Yuichi Ikuhara, Ryoji Kanno
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Journal Title
Journal of Power Sources
Volume: 345
Pages: 108-119
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] ヒドリドイオン導電性酸水素化物の物質開発2017
Author(s)
小林玄器, 渡邉明尋, 米村雅雄, 鈴木耕太, 平山雅章, 菅野了次
Organizer
Workshop on Materials Science under Ultra-High Pressure 201
Place of Presentation
愛媛大学
Year and Date
2017-03-03
Invited
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