研究概要
携帯情報端末の爆発的な普及や環境保全問題を背景として、高機能電池への社会的要請はかつてない程の高まりを見せている。当研究グループは、２１世紀の人 類の生活を支えるリチウム電池や固体電化質燃料電池の高機能化から、新規な機構による電気 – 化学エネルギー変換デバイス開発までを視野に入れ、これらを構成する機能性材料の創製とその物性開拓を強力に推進している。
エネルギー貯蔵・変換の為の機能性材料設計と合成・評価
材料に要求される機能から遡って、これを実現するための元素の組み合わ せ、結晶構造、さらにはその実現可能性などを無機固体化学の見地から幅広く考察し、高圧法、電気化学法、ソフト化学法などの多彩な合成手法を駆使して、所 望の材料を実際に合成するルートを開発している。このようにして得られる新規無機固体物質に対し、結晶構造や電気・磁気、電気化学特性などを詳細に調べて 物質合成にフィードバックする研究手法で、数々の特性の優れた材料を世に送り出している。
ホスト・ゲスト反応の解析的研究
エネルギーの貯蔵や輸送の担体としてのリチウムや水素といった軽元素をゲスト 種とし、強固な結晶格子をホストとして可逆的に出し入れする、いわゆるインターカレーション反応は電極反応として幅広く利用されている。特にこの反応を巧妙に組み合わせることで高機能化を実現し成功を収めているのが、新しい電池システムであるリチウムイオン２次電池である 。
ゲスト種のインターカレーションに伴って結晶構造や物性が変化する現象には実に様々な要因が寄与しており、これを解明し整理することは固体化学者の醍醐味 のひとつである。同時にこの現象は電池の充放電特性も大きく左右する為、実用上も極めて重要である。平均構造、局所構造、ゲスト種規則配列、変調、揺ら ぎ、凝集等様々な視点をからめ、リチウムや水素等の軽元素の情報も正確に把握すべく、高輝度放射光や中性子をも駆使して反応機構を精密に決定する方法論を 用いている。層状岩塩型LiNiO2、スピネル型LiMn2O4、オリビン型LiFePO4やこれらの関連物質における種々の新奇な相転移現象を発見し、 これにかかわる格子不安定性、電子輸送特性、磁気的相互作用、電子格子相互作用等の材料物性の本質にまで踏み込んだ議論を行い、電極特性との関連を明らか にする研究を行っている。
燃料電池用新規電極材料
リチウムイオン電池とならんで、次世代を支えるエネルギー変換デバイスである燃料電池においても材料科学の果たす役割は大きい。固体酸化物型燃料電池の低温動作化に向けたパイロクロア型新規電極材料の開発や電極構造最適化、その電気化学反応の解明等を多角的視点から推進している。
高速イオン伝導体の開発とこれを支える材料科学
固体でありながら、その構造の中を高速でイオンが選択的に動き回る物質が超イオ ン導電体（固体電解質）である。当研究室では高速イオン拡散の機構を解明する研究と、これをベースに新規な物質を創製しようとする研究を渾然一体となって推進しており、世界最高のリチウム導電性を示す新固体物質群Thio-LISICONの発見へと繋げてきた。応用面でも、有機電解液の固体材料への置き換えはリチウム電池の可能性を大きく広げるとの期待が大きく、新材料を核にした種々の高機能デバイスの原理実証にも取り組んでいる。次世代燃料電池への展開 をにらんだプロトン伝導体の探索研究もテーマのひとつである。
高速電荷交換反応実現に向けた電極界面反応の解析
化学 – 電気エネルギー変換デバイスには例外なく電極 – 電解質界面が存在し、ここでの電荷交換反応が性能を律することが多い。たかだか数ナノメーターの領域で進行する界面反応における異方性や微細構造変化・電子状態変化等を最新のナノ領域直接分析手法を適用して系統的に明らかにしようという研究に着手している。リチウム電池や燃料電池の電極材料を対象として、自己組織化反応を利用した３次元ナノ界面や、パルスレーザ合成法による単結晶薄膜による理想界面を構築し、界面反応機構解明の為の反応場を提供する手法として確立しつつある。
全固体電池への展開
電極材料、電解質材料の組み合わせとその界面形成技術の総合的な最適化によって始めて実現される全固体電池は化学 – 電気エネルギー変換デバイスの理想系とされ、将来の技術として大きな期待が寄せられている。その実現に向けて、Thio – LISICONをベースにした最適な全固体電池の構成についての考察を行うとともに、プロトタイプデバイスを実際に作成し、問題点を要素技術に還元して全固体電池の開発を行っている。