2019 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of superionic conductors
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17H06145
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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, 科学技術創成研究院, 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 原子力科学研究所 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)
小林 玄器 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 准教授 (30609847)
鈴木 耕太 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40708492)
日沼 洋陽 千葉大学, 先進科学センター, 特任助教 (80648238)
堀 智 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任助教 (30795654)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 超イオン導電体 / 固体イオニクス / 中性子 / 放射光 / ナノ界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
古典的な手法によるイオン導電性物質の探索と評価、情報科学の手法を用いた新しい探索法の開拓を進めた。
リチウム導電体: 硫化物アルジロダイト系における酸素置換組成、酸化物リシコン系における多元カチオン組成の探索により、それぞれの系で類縁物質と比べて2倍程度のイオン導電率を示す新組成材料を見いだした。アニオンやカチオンの組成を複雑化した未開拓領域の探索と、詳細な構造解析により、多元系材料の本質が徐々に明らかになりつつある。また、機械学習の手法である、推薦システムから提案される化学組成を探索指針とした系統的な合成を行い、酸化物系リチウム導電体の新規相を複数見いだした。マテリアルズインフォマティクスによる物質探索の高効率化において、十分な成果が得られた。
ヒドリド導電体: K2NiF4型のLnSrLiH2O2およびLnCaLiH2O2(Ln=La, Pr, Nd, Sm, Gd)を合成し、Aサイトイオン半径とイオン導電特性の相関を系統的合成と解析で調べた。Aサイトの平均イオン半径に対応して格子サイズは連続的な変化を示した。イオン導電の活性化エネルギーはGdSrLiH2O2で最小となり、67 kJ/molの値を示した。当該組成の格子定数は探索領域において、ほぼ中間の値であり、ヒドリドイオン拡散に適したボトルネックサイズの存在が示唆された。この系にアニオン欠陥を導入したGd0.6Sr1.4LiH1.6O2はさらにイオン導電率特性が向上し、200°Cにおいて~10－6 S/cmのイオン導電率と54 kJ/molの活性化エネルギーを示した。適切なボトルネックサイズの設計とアニオン欠陥量を制御することが、今後のヒドリドイオン導電性酸水素化物の物質探索において重要な設計指針となる。
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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
リチウム系、ヒドリド系において新規なイオン導電体を複数見出し、イオン導電特性と結晶構造の相関を明らかにした。異なるイオン拡散種について、それぞれ特有のイオン導電特性向上の指針となる構造因子を見いだしており、新材料設計の方針が得られている。これらの相関を理論計算や機械学習の手法と融合させることで、探索の高効率化が可能となる。研究進捗評価で指摘された、情報・理論化学を用いた研究展開についても、上記の融合手法を実施する準備を整えており、マテリアルズインフォマティクスによる成果も上がり始めている。具体的には、機械学習から予測される組成情報を用いた探索で、高効率に新物質が発見出来ることが実証できた。これらの新しい探索指針や手法がバルク材料だけでなく、薄膜材料における研究についても加速させることが十分に期待出来る状態である。また、得られた研究成果については、国内外の学会、学術雑誌への投稿も遅滞無く進めている。
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 |
リチウム、ヒドリド導電性を示す新物質の構造解析、固溶系合成、イオン導電率評価、相関係、理論計算結果などのデータに対し、機械学習の手法を有効活用させることで既存材料のイオン導電特性向上と新規材料の発見の効率化をはかり、目標とする超イオン導電体、リチウム：10-1 Scm-1；ヒドリド：10-4 Scm-1（室温）の発見を目指す。また、研究期間中に得られた全てのデータから、現状のイオン導電体探索の最前線と解決すべき課題を明示する。
・具体的な物質名と探索指針：リチウム: Li10GeP2S12他、硫化物・酸化物四元系、複合アニオン系、ヒドリド:A(Ln)-Li(Na)-H-O系。三成分・四成分系新規物質を探索し、構造評価と物性評価、理論計算による解析と機械学習による指針検討を行う。
・合成手法：通常合成として伝統的な焼成法、高圧法に加え、溶融急冷法を利用して、Li含有多成分系で物質探索を行う。ヒドリド系はK2NiF4型Ln2LiHO3(Ln=La, Pr, Nd)や(Ln,Sr)LiHO3での成果を基に多形への展開、一連の固溶体物質群に展開する。薄膜合成では、エピタキシャル単結晶薄膜のヘテロ界面合成をリチウム系およびヒドリド系で行う。単層膜、積層膜の合成と評価を進める。系統的合成手法構築の目指し、バルク物質合成のために、これまでに開発した材料の組成・構造、イオン導電機構の解析結果を機械学習へと取り込み、新物質設計指針を見出す。
・構造解析および物性開拓：バルク物質、界面ナノ物質では中性子と放射光による構造解析を行う。JParc-KEKの高分解能回折計を利用。放射光薄膜単結晶回折実験により表界面の情報を得る。イオン導電性、電気化学特性、熱特性の相関を明らかにする。イオン伝導現象の解明とともに、実用デバイス展開の基礎物性を評価する。
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[Journal Article] Ex-situ Analysis of Lithium Distribution in a Sulfide-based All-solid-state Lithium Battery by Particle-induced X-ray and Gamma-ray Emission Measurements2020
Author(s)
Yuto YAMADA, Kota SUZUKI, Kazuhiro YOSHINO, Sou TAMINATO, Takahiro SATOH, Martin FINSTERBUSCH, Tomihiro KAMIYA, Akiyoshi YAMAZAKI, Yoshiaki KATO, Kazuhisa FUJITA, Kunioki MIMA, Satoshi HORI, Masaaki HIRAYAMA, Ryoji KANNO
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Journal Title
Electrochemistry
Volume: 88
Pages: 45-49
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Enhancing H－ Conductivity of Sr2LiH3O at Lower Temperatures by Quenching of the High-Conductive Phase2020
Author(s)
Asad Ali, Akihiro Watanabe, Bin Feng, Yasuto Noda, Nur Ika Puji Ayu, Fumitaka Takeiri, Akiko Kubota, Masako Nishikawa, Masao Yonemura, Takashi Kamiyama, Naoya Shibata, Ryoji Kanno, Genki Kobayashi
Organizer
SOKENDAI Asian Winter School 2019
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[Presentation] Effect of Synthesis Conditions on Phase Transition Behaviour of Sr2LiH3O2019
Author(s)
Asad Ali, Akihiro Watanabe, Bin Feng, Yasuto Noda, Nur Ika Puji Ayu, Fumitaka Takeiri, Masako Nishikawa, Masao Yonemura, Takashi Kamiyama, Naoya Shibata, Ryoji Kanno, Genki Kobayashi
Organizer
第45回固体イオニクス討論会
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[Presentation] The effect of cation size on hydride ion conduction in K2NiF4-type oxyhydrides2019
Author(s)
Naoki Matsui, Yuki Iwasaki, Yoyo Hinuma, Kota Suzuki, Jiang Guangzhong, Haq Nawaz, Yumiko Imai, Masao Yonemura, Masaaki Hirayama, Genki Kobayashi, Ryoji Kanno
Organizer
22nd International Conference on Solid State Ionics (SSI-22)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Effect of cation size on hydride ion conduction in LnSrLiH2O2(Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd) oxyhydrides2019
Author(s)
Naoki Matsui, Yoyo Hinuma, Yuki Iwasaki, Kota Suzuki, Jiang Guangzhong, Haq Nawaz, Yumiko Imai, Masao Yonemura, Masaaki Hirayama, Genki Kobayashi, Ryoji Kanno
Organizer
Materials Research Meeting 2019
Int'l Joint Research
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