中性子・放射光X線散乱を用いた充放電中の蓄電池の伝導イオンの時空間流れの解明

使用中子和同步加速器 X 射线散射阐明蓄电池充电和放电过程中导电离子的时空流动

基本信息

批准号：
20K05061
负责人：
福永俊晴
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、J-PARC/MLFの中性子回折装置群(SPICA, S-HPRD, NOVA)や準弾性散乱装置DNAを活用し、固体電解質の構造を知るとともにイオン伝導経路を明らかにする。さらに、全固体電池の充放電中（オペランド実験）の構成物質（正極、負極、固体電解質）の原子配列の可視化を目指すとともに、原子レベルの伝導イオン経路の解明とその伝導イオンの動きも直接観察する。その解析において、BVSイメージング法を活用し、固体内のイオン伝導経路を可視化し、伝導イオンの流れを原子レベルで明らかにすることを目的としている。これまで、交流インピーダンス装置、X線回折装置および中性子回折装置群(SPICA, S-HPRD, NOVA)を利用して、新たに合成した固体電解質のイオン伝導特性、構造相転移および詳細な結晶構造(室温、高温)の評価を行い伝導経路の解明を行ってきている。今回、メカニカルミリングおよび熱処理(573K)により(BaF2)x(SnF2)1-x試料を作製した。組成がx=0.54試料で最高のイオン伝導度が得られている。これらの試料の中性子回折実験データを用いてリートベルト解析を行った結果、PbSnF4に類似した結晶構造モデル（正方晶、空間群：P4/nmm）により良好なフィッティング結果を得ることができた。これにより、(BaF2)0.43(SnF2)0.57の結晶構造の中に「-SnSnMMSnSn-」層(M=Ba/Sn)が存在していることを明らかにした。さらに、フッ素の異方性温度因子の広がりから[-F1-F3-F1-]経路がフッ化物イオン伝導に寄与していると考えられる。

本研究利用 J-PARC/MLF 的中子衍射仪器（SPICA、S-HPRD、NOVA）和准弹性散射仪器 DNA 来了解固体电解质的结构并阐明离子传导路径。此外，我们的目标是可视化全固态电池充电和放电过程中组成材料（正极、负极、固体电解质）的原子排列（操作实验），并阐明原子处的导电离子路径。水平并直接观察导电离子的运动。在此分析中，目的是利用 BVS 成像方法可视化固体内的离子传导路径，并在原子水平上阐明传导离子的流动。到目前为止，我们一直在使用交流阻抗装置、X射线衍射装置和中子衍射装置（SPICA、S-HPRD、NOVA）来研究新合成固体的离子传导特性、结构相变和详细晶体结构我们一直在室温和高温下进行评估，以阐明传导路径。这次，通过机械研磨和热处理（573K）制备了（BaF2）x（SnF2）1-x样品。组成 x=0.54 的样品获得了最高的离子电导率。使用这些样品的中子衍射实验数据进行Rietveld分析，结果使用与PbSnF4类似的晶体结构模型（四方晶系，空间群：P4/nmm）获得了良好的拟合结果。由此可知，在(BaF 2 )0.43(SnF 2 )0.57的晶体结构中存在“-SnSnMMSnSn-”层(M＝Ba/Sn)。此外，氟的各向异性温度因子的扩散表明[-F1-F3-F1-]途径有助于氟离子传导。