ブックタイトル日本結晶学会誌Vol56No2

概要

日本結晶学会誌Vol56No2

日本結晶学会誌56，104-108（2014）特集：物性研究における結晶学－物性のダイナミズムと結晶構造－中性子散乱による二次電池材料中の構造乱れの研究茨城大学大学院理工学研究科応用粒子線科学専攻佐久間隆,檜山祐二Takashi SAKUMA and Yuji HIYAMA: Structure and Disorder of Li-ion RechargeableBattery by Neutron Scattering MeasurementLi-ion rechargeable battery is one of the most desirable energy sources for electric vehicles,handy phone and other electric articles for daily use. The structure and disorder of the ionconductors are discussed by neutron scattering measurement. Typical structures of cathode,electrolyte and anode materials of Li-ion rechargeable battery are summarized first. The effectof isotope replacement in cathode material by neutron diffraction measurement is introduced.Static and dynamic disorders in materials are investigated from the analysis of diffusescattering intensity. The correlation effects among thermal displacements of atoms are appliedto estimate the force constants, phonon dispersion relations and specific heat. Neutron elasticand inelastic scattering method is very important to clarify the mechanism of the dynamics of ions.1．はじめに二次電池および燃料電池の開発は21世紀の重要な研究課題であり,自動車,電力,電池会社などが取り組んでいる. J-PARCに建設された茨城県材料構造解析装置（iMATERIA）は,中性子の産業応用をめざした世界で初めての装置であり,平成20年12月から供用が開始されている.この装置で実施された研究課題のうち, 6割程度をリチウムイオン二次電池材料が占めている.リチウムイオン二次電池は未解決の問題が多数あり,材料の開発には結晶構造とともに,イオンの無秩序分布や異常に大きな原子熱振動など,原子の乱れについての考察が重要となる.この研究では,リチウム電池材料の結晶構造について要約するとともに,二次電池の結晶性固体材料中の構造乱れの研究について取り上げる.2.1正極材料物質典型的な正極材料として,層状岩塩型,スピネル型,オリビン型などの結晶構造が報告されている.層状岩塩型構造をもつ代表物質として, LiCoO 2やLiNiO 2などが挙げられる. LiCoO 2についてはリチウムイオン二次電池の開発当初から現在にいたるまで広く利用されている. 5)容量が大きいという利点をもつが,原料のCoはレアメタルであり埋蔵量が少なく生産地が偏在していることからコストや資源確保に問題がある.そのためCoの一部をNiやMnに置換した組成の材料,例えばLiNi 0.5Mn 1.5O 2やLi（MnNiCo）1/3O 2などの研究が積極的に行われている. 6),7)LiCoO 2の結晶構造を図1に示す. Li, Co, Oが層をなした構造をもっており,二次元平面状に配列したLiがその平2．リチウム二次電池材料リチウム二次電池は,電気伝導の形態から区別すると混合伝導（イオン伝導および電子伝導）を示す正極材料および負極材料,またそれらの間に位置するイオン伝導のみが関与する電解質材料から構成されている.金属や半導体材料では電気伝導には電子（あるいはホール）が寄与しているが,電解質ではなぜイオン伝導のみとなるのかなど,いまだ解明すべき問題が残されている.電池材料中では,イオンが拡散することに伴う,イオンの無秩序分布状態や,異常に大きな原子熱振動が生じる場合が多い. 1)-4)まず,典型的な正極材料,電解質材料および負極材料について構造の特徴を述べる.図1 LiCoO 2の結晶構造.（Crystal structure of LiCoO 2.）104日本結晶学会誌第56巻第2号（2014）