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Research

Keywords

薄膜電池、固体電池、イオンダイナミクス、NMR、TOF-SIMS

Research Outline
Electrochemical devices, such as lithium-ion batteries, operate by the diffusion of ions through a solid. We measure the diffusion coefficients of solid-state battery materials and analyze the ion dynamics in solids/interfaces. We are also developing in-situ measurement techniques to study ion transport mechanisms in solid-state batteries.

Experimental Techniques
Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), pulsed field gradient NMR (PFG-NMR), pulsed laser deposition (PLD) Electrochemical methods

Student Recruitment
The NIMS Graduate Research Assistantship is designed for doctoral students who aspire to a career as researchers in materials science. Those students appointed as NIMS Junior Researcher will enable to gain insight into their research career by working on latest research projects. The amount of support is approximately 200,000 yen per month for the doctoral program.

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Figure 1: SIMS imaging of lithium isotope distribution. The change in the profile can be used to determine the lithium diffusion coefficient of the battery material. Figure 2: Thin film battery fabricated by pulsed laser deposition and the structural changes observed by in situ Raman spectroscopy.

PublicationsNIMS affiliated publications since 2004.

Society memberships

日本固体イオニクス学会, 日本物理学会, 電気化学会

Research Center for Energy and Environmental Materials (GREEN)
Title

固体電池材料のマルチスケール解析

Keywords

リチウムイオン電池,薄膜電池,拡散係数,NMR,TOF-SIMS

Overview

リチウムイオン電池等の電気化学デバイスは、固体中をイオンが拡散することで動作することができる。固体電解質を利用した固体電池の開発が世界的に活発に行われており、固体内および固体/固体界面の拡散係数やイオンダイナミクスを解析する手法が求められている。私たちは、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)や核磁気共鳴(NMR)を利用して精密なリチウム拡散係数の解析を行う技術開発を進めており、固体電池材料に応用している。さらに、薄膜電池や焼結電池をモデルとしたその場解析技術により、固体電池の充放電機構を研究している。

Novelty and originality

同位体拡散とTOF-SIMSによる正極活物質・固体電解質の同位体拡散解析
パルス磁場勾配NMR法による固体電池材料のリチウム拡散係数の精密測定
パルスレーザー堆積法による薄膜型固体電池の作製
その場解析技術の開発と固体電池の充放電による構造変化の検出
液相法による固体電池材料の合成と接合プロセスの開発

Details

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全固体電池を実現するため、固体中の高速リチウム拡散の機構を解明することが求められている。我々はTOF-SIMSやNMRを用いた新技術により、電池材料中のリチウムイオンの拡散係数を計測している。固体電解質に関しては、6Li同位体をイオン交換法により固体中に拡散させ、同位体比のプロファイルから拡散係数を得ることができる。イオン伝導度と比較して、ハーベン比から拡散機構を議論することが可能となる。混合伝導体であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)等の正極薄膜を利用した同位体拡散測定も可能である。この手法により、LiCoO2の空孔拡散機構や、アンチサイト欠陥を利用した拡散機構が確かめられた。

パルスレーザー堆積(PLD)法により、薄膜型の全固体電池を作製している。モデル界面を利用した解析、高電位正極の作製などに利用している。薄膜電池を利用したその場ラマン分光測定では、LixMn2O4 (0 < x < 1)の充放電にともなうスペクトル変化が明瞭に観測された。固体電解質としてはリン酸リチウムやホウ酸リチウムなどの薄膜化が可能である。その他に、多結晶や単結晶の固体電解質を利用したパルス磁場勾配NMR法による拡散係数測定も行っている。

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Summary

固体中のリチウム拡散係数を測定する手法を確立し、TOF-SIMSイメージングにより界面でのイオン移動を可視化できることを実証した。第一原理計算と実験との連携により、材料探索にも応用可能である。バルクだけでなく、界面や複合体、粒界、ドメイン、異方性拡散を含む系、さらに動作中の電池材料にも展開することで、材料開発に貢献できると期待される。

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