【研究領域課題番号】19H02808 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光電気化学材料 / インターカレーション / 全固体電池 / リチウムイオン電池 / インターカレーション電極 / リチウム電池 / 電気化学材料 / 光電気化学

【研究成果の概要】

光/化学エネルギー変換によるエネルギー貯蔵（充電）と化学/電気エネルギー変換によるエネルギー放出（放電）を単一デバイスで動作させることを目指して，全固体光イオニクスデバイスを薄膜合成法により構築した．光電気化学測定および界面構造解析から，光照射によりn型半導体正極からリチウムが脱離することで充電できることを実証した．さらに，光照射で懸念される分解反応も生じず，極めて可逆的に光充電と放電反応が進行した．固体電解質を用いた全固体デバイス化することで，光イオニクス現象をエネルギー貯蔵に利用できる可能性を明らかにした．

【研究の社会的意義】

光イオニクス現象の基礎学理を半導体界面科学（光励起，電荷移動，イオン拡散）から構築できたものと考え，固体イオニクスの新領域開拓としての学問的意義が高い．光/化学エネルギーの直接変換による蓄電が可能となれば，「畜電池は電力によって充電される」という常識を覆す新しい電池の誕生が期待できる．社会的な意義としては，エネルギーハーベスティング技術へ展開があり，半導体集積回路と同一基板上に自立電源としての光蓄電デバイスを組み込むことで，IoTデバイスを超小型化させることで，Society 5.0（超スマート社会）の実現に貢献できる．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】16K05929 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電気化学材料 / 半導体光電極 / インターカレーション / リチウム電池 / 全固体電池 / 光電気化学 / リチウムイオン電池 / インターカレーション電極

【研究成果の概要】

本研究では，エピタキシャル膜モデル電極で光エネルギー変換によるリチウム脱挿入を調べた． n型半導体TiO2およびMoO3膜の界面構造観察からエネルギー準位図を作成することで，光リチウム脱挿入の反応因子を抽出し，フラットバンド電位と脱挿入電位の大小関係が光活性と関連することを明らかにした．TiO2/Li3PO4界面では，光照射による温度上昇を無視できる条件で，光リチウム脱離により非照射条件と比べ，30%程度大きな可逆容量がサイクル安定して発現した．全固体デバイスで光電気化学反応を開拓することで，光エネルギーを有効利用した蓄電デバイスを実現できると期待される．

【研究の社会的意義】

光エネルギーを有効活用したエネルギー変換の重要性は高まり続けるが，固体内のイオンの移動や貯蔵に着目した事例は少ない．本研究では，電極・固体電解質界面に光照射し，n型半導体側で光励起した正孔が，リチウムイオンの脱挿入に関与できることを実験的に明らかにすることができた．全固体電池で固体固体界面での電気化学現象が注目を集めているなか，固体イオニクスの新たな展開が期待できる点で学術的，社会的に意義があると考える．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】15H03873 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

蓄電デバイス / リチウムイオン電池 / ナトリウムイオン電池 / キャパシタ / 層状化合物 / ナノシート / インターカレーション / 二次電池

【研究成果の概要】

本研究は、MXeneと総称される層状化合物を、酸化還元を示すレドックスキャパシタ電極として応用する研究開発である。様々な電解液と組み合わせたキャパシタの性能評価を主眼に据えた研究計画であり、平成27年度から29年度において、Ti2CTx（Txは末端基：-F, -Cl, -OH, -O）の組成を持つMXeneをLi+キャパシタ、Na+キャパシタに応用した。その結果、200 mAh/g程度の充放電容量を示すこと、作成したキャパシタが高出力・高エネルギー密度を両立することを確認し、当初の目的をほぼ達成した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】23245042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

インターカレーション / ナトリウム電池 / リチウム電池 / 二相分離反応 / 正極 / ２相分離反応

【研究成果の概要】

今年度は、4月下旬に特別推進研究への採択が決定しため、本課題は廃止という形となった。4月中旬までの３週間ほどの期間で、非対称な溶解度ギャップを有する２相分離反応系であるNa3+xV2(PO4)3の反応エントロピー測定結果を学術論文にまとめる作業を行った。2相分離系の特徴である組成に依存しない振る舞いや、溶解度ギャップの非対称性を反映する符号の変化に関する考察を含め、反応エントロピー変化と電極反応機構の関係の包括的な理解に繋がる論旨にするべく、基本関係式の描出を含めて論路構築を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】50,440千円 (直接経費: 38,800千円、間接経費: 11,640千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】22655067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複数電荷応答 / 酸化還元電位 / インターカレーション / ピロリン酸 / ビロリン酸 / リチウム電池 / 正極 / 鉄 / マンガン

【研究成果の概要】

3価の鉄原料と還元剤かつカーボン源としての有機物との燃焼反応時の自己発熱により、2価鉄からなる均一性の極めて高い前駆体を生成させ、これを比較的低温で短時間処理することでカーボンコートされた最終生成物を得る方法を開発し、効率的な材料スクリーニングを可能にした。A2MP2O7系材料において複数の新規化合物や新規多形を見いだし、高電圧特性と高安全性を高度に両立可能な材料群であることを提示した。その他、シュウ酸塩系材料の電極機能も新たに提示した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】3,640千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 540千円)