研究室を志望する学生の方々へ ー 研究室 Q and Aー
どのような研究を行っていますか？
固体化学と電気化学の境界領域で、新規物質開拓をすすめています。水素、リチウム、酸素の３種類の元素は、固体中を拡散する特性を利用して、燃料電池や化学電池にとって重要な役割を占めています。特に固体中のイオン拡散、固液、固固、固気界面での電荷交換反応とイオン移動に関する基礎研究は、将来のエネルギー変換デバイスを開発する上で必須です。また、これらの元素にかかわらず、ナトリウム、フッ素、など様々なイオンが関与する固体化学の基礎も着実に進めています。
その研究は社会に対してどのように役立つのですか？
電気エネルギーと化学エネルギーを変換・貯蔵するデバイスは、今後の我々の社会にとって極めて重要な位置づけがなされています。特に、燃料電池やリチウム電池をはじめとする電気化学デバイスの重要性は言うまでもありません。このようなデバイスの特性は、基本的には材料の特性に規定されます。すなわち、材料の特性の限界以上には、デバイスとしての特性は出しようがないわけです。優れた特性を持つ新規な物質が開発されると、デバイスの特性は飛躍的に進展します。次世代のデバイスを可能にするのは材料開発で、インパクトのある新規材料の発見を目指して、研究を進めています。
実際にいくつかの電池系は、経産省や文科省が推進する国家プロジェクトの中で、産学官が連携して、新電池システムの構築や社会実装に向けた研究が展開されています。
JST ALCA SPRING
NEDO RISING-3
NEDO SOLiD-EV
これまでどのような物質を創ってきたのですか？
これまで、リチウム導電体として最高の導電率を持つ固体電解質を生み出すなど、優れた成果を上げています。理想的な電気化学反応場の構築を通じて、電気化学反応そのものへの探究も固体化学に立脚して進めています。また、高エネルギー密度と安全性を達成できる唯一の電池系である全固体型電池の開発も軌道に乗ってきました。新しいイオン導電種であるヒドリドイオンの研究も進めています。リチウム硫黄電池、フッ化物イオン電池、リチウム酸素電池、ヒドリド電池など、様々な電池系の展開も進めています。最近では機械学習や理論計算の手法を使った新しい材料探索も進めており、ここに書き切れないくらいたくさんの研究テーマに取り組んでいます。
High power all-solid-state batteries using sulphide superionic conductors
Fast Hydride-Ion Conduction in Perovskite Hydrides AELiH3
Operando analysis of electronic band structure in an all-solid-state thin-film battery
機械学習によるイオン導電率予測を指針としたリチウム導電性酸化物の探索
どのような合成法を使っているのですか？
新規物質を生み出す元となる研究室の合成手法は多岐にわたっています。通常の焼成法、ソフト化学法、超高圧合成法、レーザーアブレーションによる薄膜合成法、水熱合成法など、多彩な合成手法が魅力的な物質を生み出します。また、まだ大きな成果は上がっていませんが、データ科学利用を視野に入れたコンビナトリアル合成、実験データベース構築などにも挑戦しています。
Ambient pressure synthesis of La2LiHO3 as a solid electrolyte for a hydrogen electrochemical cell
Precipitation of the Lithium Superionic Conductor Li10GeP2S12 by a Liquid-phase Process
どのようにして物質を調べているのですか？
無機物質を扱う固体化学において、基本的な物質の同定手法は回折法です。研究室内で利用できる粉末X線回折装置や薄膜X線回折装置で、合成した物質の同定を行います。さらに、KEKやSPring-８などで中性子回折や放射光による回折測定を行い、あらゆる角度から物質の構造を調べる手法を用いることができるのも、他の研究室にない大きな特徴です。結晶構造から局所構造、ナノ構造、メソ構造に至るまで、広い領域の構造を決定する手法です。 中性子の粉末回折装置、小角散乱装置、全散乱装置、反射率計、放射光の４軸回折装置、反射率計をはじめ、電気化学反応場でin-situ測定を行うなど様々な手法で構造を調べています。日本の回折計だけでなく、フランスやイギリス、アメリカなどの回折計も利用しています。また、結晶構造だけでなく、光電子分光法による電子構造解析、イオンビームによるリチウム分布の可視化など、様々な解析手法を駆使して、物質やデバイスの研究に取り組んでいます。
Correlated Li-ion migration in the superionic conductor Li10GeP2S12
デバイスへの展開はどうなっていますか？
リチウム電池では、比較的安価な鉄系、マンガン系材料を中心に研究していますが、特に容量の大きい硫黄系活物質に注目しています。電極反応の機構を、電気化学的な手法や構造解析などによってしらべ、より高容量、より高出力な電池を目指して、材料開発を行っています。また、究極の負極としてリチウム金属を実用化するために、界面の研究や低電位で安定な固体電解質の探索も進めています。このような基礎研究を元にして、より実用に近い開発の現場とコンタクトも盛んに行っています。
我々は、実現可能で、近い将来に主力となるエネルギーデバイスは、あくまでもリチウムを基本としたエネルギー変換・貯蔵デバイスであると考えています。そのためには、エネルギー密度をさらに上げること、安全性を確保することの２点が課題です。新規な電極材料と固体電解質材料が実現の鍵を握ると信じています。
いずれにせよ、大学での本来の研究はあくまでも１０年後、２０年後のデバイスを目標とした基礎研究です。ある新規な物質のデバイスへの展開が提唱されてから、特性が調べられ実用材料として世間に認知されるまでは５年から１０年、その材料を用いてデバイスが試作され、実用に耐えうるものとして世の評価を受けるまでにさらに１０年、その後に工業製品として生産され市場に出ます。このようなスケジュールを考えると、新規物質の開拓を目指した我々の基礎研究は、２０年後のデバイスの姿を予想するものとなるはずですし、現時点で開発を行わないと、将来の展望はないことになります。そうならないために、最善を尽くすことが必要と、自らを戒めています。
一方で、やはり大学ですので、学問を継承してゆくのも使命です。固体化学と電気化学の境界領域で、新たな学問を創り出すこと、これまでの固体化学の学問の伝統を伝えてゆくことも、大きな役目です。
学会発表はどうなっていますか？
成果の出た時点で、発表しています。電気化学会、日本化学会、粉体粉末冶金協会、などの学会の他、電池討論会や固体イオニクス討論会、セラミックス基礎討論会などの討論会での発表、SSIやIMLBなどの国際学会、ECS、MRSなどでも発表しています。早く発表できるようにがんばりましょう。
ほかに何か宣伝はありますか？
2001年に数名から始まった菅野研究室は、菅野山田研、菅野平山研と変遷しながら、2021年に菅野鈴木研となりました。秘書や技術支援員を含んだスタッフ、学生ともに増え、2022年では総勢80名の研究室となりました。固体電池が姿も形も無かった時代から、現在では電気自動車への応用が期待されており、状況ががらりと変わりました。固体電池、薄膜を使った界面研究、新物質探索や、新しいイオン導電種への挑戦など、新たな研究領域を創り出してゆくことの重要性を、改めて認識しています。これからも、世界から注目されるグループであり続けること、個性的な物質を生み出し、優れた研究を継続してゆくつもりです。
研究室での生活は？ 朝は？ 休みは？ 合宿は？ 研究報告会は？ などなど
なかなか、これは、ホームページでは伝えにくいですね。ウィズコロナの状況で、色々工夫しながら研究活動や交流を行っています。直接研究室に来て、先輩の話を聞いたり、実験室の見学をしたりして、雰囲気を味わってみるのが一番です。感染対策をしつつも、自由でオープンな雰囲気を感じてください。いつでも、歓迎です。もちろんZOOMなどによる相談も受け付けています。また、鈴木准教授のTwitterアカウントを見ると、日常の雰囲気がもう少し伝わるとおもいます。