ブックタイトル日本結晶学会誌Vol59No5

概要

日本結晶学会誌Vol59No5

日本結晶学会誌59，230-237（2017）Review中性子を利用したLi 2 S-P 2 S 5系リチウムイオン伝導体の構造およびイオン伝導経路の可視化京都大学原子炉実験所森一広高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所米村雅雄京都大学産官学連携本部福永俊晴Kazuhiro MORI, Masao YONEMURA and Toshiharu FUKUNAGA: Visualization ofStructures and Li-Ion Conduction Pathways in the Li 2 S-P 2 S 5 System Using NeutronScatteringDesigning the next generation of lithium ion batteries（LIBs）requires fundamental informationthat surprisingly often is still unknown-for example, details of how ions actually move througha working device. Li 7 P 3 S 11 crystal and（Li 2 S）x（P 2 S 5）100－x glasses have received a great deal ofattention as a solid electrolyte for all-solid-state LIBs because of its extremely high ionic conductivityof 10－4 to 10－2 S/cm at room temperature. The authors predict and visualize the conduction pathwaysof Li ions in Li 7 P 3 S 11 crystal and（Li 2 S）x（P 2 S 5）100－x glasses, using reverse Monte Carlo（RMC）modeling and the bond valence sum（BVS）approach with neutron diffraction data. The conductionpathways of Li ions can be classified into two types: relatively“stable”regions and“metastable”regions for Li ions. Furthermore, the authors use quasielastic neutron scattering to directly monitor thefast diffusion of Li ions in Li 7 P 3 S 11 crystal. According to the jump diffusion model, Li ions migratebetween stable regions within a jump length＜l＞＝4.3 A along conduction pathways.1．はじめに蓄電池は現代社会の基盤を支える重要なキーテクノロジーの1つであり，その用途はスマートフォンやパソコンのような小型機器から，電気自動車（EV）や家庭用蓄電システムなどの大型機器へと広がっている．特に，EVのさらなる普及に向けて，蓄電池の性能，耐久性および安全性の向上や，大幅なコスト低減を目指した研究開発が進められている．このような社会的背景から，現在，国内において蓄電池研究に関するさまざまなプロジェクトが立ち上げられている．例えば，新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の革新型蓄電池先端科学基礎研究事業（RISING事業：平成21年度～平成27年度）や革新型蓄電池実用化促進基盤技術開発（RISING 2事業：平成28年度～平成32年度）では，EV用蓄電池に対してエネルギー密度500 Wh/kgの目標値が掲げられている.1）現行のリチウムイオン電池（LIB）では，エネルギー密度の理論限界が見えており，LIBに代わる革新的な蓄電池の創製が求められている．しかしながら，LIBにおいてもいまだ理論エネルギー密度には到達しておらず，その能力をフルに引き出せてはいない．近い将来，技術的ブレイクスルーを生み出すためにも，電池の基礎的な反応メカニズムについてもう一度見つめ直すこと，すなわち基礎研究に高い関心が寄せられている．蓄電池の中では，異なる空間および時間スケールをもつ複数の反応（現象）が同時に進行している．これらの現象を総合的かつ多角的な視点から理解するためにも，従来の電気化学測定手法に加えて，最先端の実験プローブや解析・計算手法との融合が必須である．その新しい実験プローブの1つとして，中性子に大きな注目が集まっている．中性子散乱法は，中性子線を試料に照射し，散乱（回折）された中性子の方向（散乱角）および数を検出することで，物質の静的・動的構造について調べる手法である．中性子の主な特徴は次のとおりである：（1）中性子の電荷はゼロである，（2）中性子の波長は原子間距離と同程度である，（3）中性子はスピン1/2をもつ，（4）中性子のエネルギーは固体中の原子および分子の運動エネルギーと同程度である.2）このようなユニークな特徴により，中性子回折，中性子磁気散乱，中性子小角散乱，中性子反射率，中性子非（準）弾性散乱，中性子スピンエコー，中性子イメージング（中性子ラジオグラフィ）といった多種多様な測定手法が存在する．その中でも，中性子回折や中性子準弾性散乱は，リチウムの位置（構造）やその動き（ダイナミクス）を直接観察できることから，近年のLIB研究において強力な測定プローブの1つとして位置付けられている．230日本結晶学会誌第59巻第5号（2017）