Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

超伝導 / 強相関電子系 / 電気化学 / リチウムイオン電池 / 二次元物質 / 酸化物エレクトロニクス / エピタキシャル薄膜 / 超伝導ドーム / 遷移金属酸化物 / 透明導電体 / Liイオン電池 / エピタキシャル成長

本研究は，二次元NbO2超伝導層の全貌を明らかにする研究である。初年度である昨年度には，その舞台となる二次元NbO2層を持つLi1－xNbO2の薄膜合成法を確立し，電子構造と二次元超伝導の観測に成功した。その結果，本研究の第一の目標である"NbO2超伝導層が理想的である"ことが証明され，本年度にPhysical Review B誌に原著論文が掲載された。
また本年度は，第二の目標である"NbO2超伝導層の全貌を解明する"ことに尽力した。その結果，以下の成果が得られた。
①[Li1－xNbO2電気化学デバイスの作製] 合成に成功したLi1－xNbO2エピタキシャル薄膜を電極としたLiイオン電気化学デバイスを作製した。そのデバイスに対して電圧を印加するとLiイオン電池の充電/放電反応が起こり，薄膜に含まれるLi量が連続的かつ可逆的に変調できることが明らかとなった。その結果，Li量xが様々かつ精密に調整されたLi1－xNbO2が同一試料で実現し，NbO2層の物性を詳細に調べられるようになった。
②[NbO2層における電子相の解明] Li1－xNbO2の物性のLi量依存性を調べると，本物質はバンド絶縁体からフェルミ液体金属を経由し，最終的に非フェルミ液体状態へと転移し超伝導ドームを生じることが明らかとなった。これは二次元NbO2三角格子にホールキャリアが導入されていくにつれて電子相関が増していき，その結果として超伝導ドームが生まれるという銅酸化物高温超伝導体の電子相図と対応する結果である。更に，近藤効果の発現など二次元NbO2三角格子に特有な現象も観測された。これらの結果は本研究の第二の目標である"NbO2超伝導層の全貌を解明できた"ことを表している。
これらの結果は原著論文としてまとまりつつあり，次年度に投稿予定である。

リチウム電池 / ピエゾ基板 / エピタキシャル膜 / 活性化エネルギー / エピタキシャル薄膜 / 圧電体 / リチウムイオン電池

電圧印加で伸縮可能なピエゾ素子とリチウム電池材料エピタキシャル薄膜をハイブリッド化することにより、格子サイズ変化と電荷移動過程の活性化エネルギーの相関を明らかにすることを目標として研究を行った。
ゾル－ゲル法を用いてマイカ基板および圧電特性を示すLiNbO3（LNO）基板上に111配向したLiMn2O4エピタキシャル薄膜を作成した。得られた薄膜の電気化学特性を評価したところ、LNOでは充放電が確認出来た。電荷移動抵抗の活性化エネルギーはピエゾ基板に印可することにより低下した。これは膜に生じた歪みにより活性化エネルギーが低下したためと思われる。

リチウム電池 / 全固体電池 / チオリシコン / エピタキシャル薄膜 / in-istu測定 / インターカレーション反応 / リチウム電池材料 / リチウムインターカレーション反応

リチウムイオン電池に使用されている可燃性の有機電解液を、不燃性の無機固体電解質に置き換えると、電池の安全性、信頼性の向上につながる。固体電池の実現に向けて求められる課題は、(1)高いイオン導電率を有する固体電解質の使用、(2)電極/電解質界面の電気化学反応の高速化が挙げられる。課題(1)の克服には、25℃において極めて高いイオン導電率2.2×10^<-3>S/cmを示すチオリシコンLi3.25Ge0.25P0.75S4を用いて、電解質抵抗を溶液程度にまで小さくした。一方課題(2)の克服に向けて、電極/電解質界面に自己組織化界面を形成させることを試みた。その結果、Li-Al合金とLi3.25Ge0.25P0.75S4の界面において、電解質の分解生成物である固体電荷質層SEIが形成されていることを世界に先駆けて見いだした。このSEIにより固体-固体界面の接合性が向上し、電気化学反応の高速化につながった。固体電池では高い電流密度1.3mA/cm^2においても優れた充放電特性を示す全固体リチウム電池の開発に成功した。
層状岩塩型酸化物LiMO_2(M=Co,Ni)やスピネル型酸化物LiMn_2O_4は可逆的なリチウムインターカレーション特性を示すが、詳細な機構は未だ明らかでない。本研究ではこれらの正極材料についてエピタキシャル薄膜を作製し、理想界面を構築することにより、電極反応機構の詳細を明らかにすることを目的とした。PLD法により異なる配向性を持つLiNi_<0.8>Co_<0.2>O_2、LiMn_2O_4エピタキシャル薄膜の作製に成功した。これらの薄膜を用いて、SPring-8のBLI4BIにおいてin-situX線回折測定およびX線反射率測定を行い、インターカレーション反応が配向性の違いに起因するリチウム拡散パスの違いに依存することおよび電極表面での被膜生成と配向性との相関を明らかにした。

【研究分担者】
今西誠之	三重大学	工学研究科	教授	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
平山雅章	東京工業大学	大学院理工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
山田淳夫	東京工業大学	大学院・総合理工学研究科	助教授	(Kakenデータベース)
園山範之	東京工業大学	大学院・総合理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)