理化学研究所
小林固体化学研究室では
持続可能なエネルギー社会の実現に向け、電気化学反応を利用した蓄電・発電の重要性が高まっています。現在、リチウム二次電池や燃料電池を 越える次世代のエネルギーデバイスの実現を目指して、激しい開発競争が世界的に繰り広げられていますが、いまだ確たる本命は不在の状況です。 次世代エネルギーデバイスには、エネルギー密度、作動温度、耐環境性能など、用途に応じたさまざまな性能が求められます。これらを達成する ためには、既存の研究開発の延長線上にはない、基幹材料のブレークスルーが必要になります。これまでプロトン（H+）やリチウム イオン（Li+）、ナトリウムイオン（Na+）、マグネシウムイオン（Mg2+）、酸化物イオン（O2–） などを電荷担体に利用した燃料電池や蓄電池の開発が行われてきましたが、新たな電荷担体を伝導種とする電極や固体電解質材料が出現すると、全く新しい作動原理をもつエネルギーデバイスが創成できると期待されます。我々の研究グループでは、水素のアニオンであるヒドリド（H–）のイオン導電に着目しています。
H–は１価のアニオンでO2–と同程度の適度なイオン半径を持ち、固体内での高速イオン導電が期待できます。また、 卑な標準酸化還元電位（–2.25 V vs. SHE）を持つことから、H–の酸化還元反応とイオン導電現象を蓄電・発電反応に利用する ことができれば、高エネルギー密度のエネルギーデバイスが実現する可能性があります。しかし、熱的・電気化学的な安定性を備え、H– のみをイオン導電する物質はこれまでに発見されておらず、H–のイオン導電現象を蓄電・発電反応に利用する試みはありませんでした。
最近、我々の研究グループでは、H–とO2–が結晶格子内に共存する酸水素化物という物質群に着目し、H–導電性の固体電解質として機能する新物質 La2–x–ySrx+yLiH1–x+yO3–y （以下LSLHO）の開発に成功しました。さらに、LSLHOを固体電解質に用いてH–を電荷担体とする全固体型の電気化学エネルギー デバイスが作動することを世界に先駆けて見いだし、H–導電を利用したデバイスの作動原理を実証しました。我々は、この研究成果 によって固体イオニクスと電気化学の新しい研究領域が開拓され、蓄電池や燃料電池にH–という新しい概念を導入できると期待しています。
これまでに得られた研究結果を基に、H–が結晶内を高速で拡散するH–超イオン導電体や電極材料などの新物質探索と H–導電を利用した新型電池の開発をおこなうと同時に、H–のイオン導電機構の解明など、H–導電に 関する学理を確立・体系化する研究に挑んでいきます。
新原理の電気化学デバイス創製
準備中
物性・機能の機構解析
中性子散乱と熱容量測定による研究
高性能のイオン伝導物質の開発のためには、構造解析だけでなく、物性測定によるイオン伝導メカニズムの解明が必要です。当研究室では、JRR-3とJ-PARCにおける中性子非弾性散乱（INS）と中性子準弾性散乱（QENS）の測定に加え研究室既設の断熱型熱量計による熱容量測定を行っています。
INSは物質中の様々な振動現象を観測する手法です。INSにはラマン散乱や赤外分光のような選択則はありませんし、何よりもエネルギー・運動量平面での振動情報（いわゆるフォノン分散関係）を得ることができます。QENSは物質中の1ps〜100nsの時間スケールにおけるジャンプ運動や拡散運動を観測する手段です。QENSもINSと同様に運動の空間スケール（例えばイオンのジャンプ距離）を得ることができます。これはNMRなどの手法ではできません。よくあるケースとして、イオンは低温では結晶のあるサイトで調和振動をしていますが、温度上昇とともに振動がソフト化し、非調和性が大きくなり、ついには他のサイトにジャンプします。これは、INS振動数の低下、INSピークの幅広化、QENSピークの出現と幅広化として手に取るように観測できます。
断熱型熱量計は、市販の示差走査熱量計（DSC）や緩和型熱量計（PPMS）よりはるかに熱容量絶対値に対する正確度が高く（ΔCp/Cp < 0.1%）、ガラス転移などの非平衡現象も観測できます。多くのイオン伝導体では、低温では最安定サイトで秩序状態にあるイオンが、昇温に伴って準安定サイトへ励起し、無秩序化します。この過程はショットキー熱容量で表されることが知られており、実験値にフィッティングすることにより、励起イオン数、励起エネルギー、励起サイト数を決定できます。
薄膜を通してイオンの物理を理解する
イオニクス材料の研究では、従来、粉末や多結晶焼結体を用いた測定が主流でした。しかし、こうしたバルク試料では粒界や欠陥が複雑に入り組み、本質的な物性が平均化されてしまうことが少なくありません。
そこで私たちは、薄膜という理想的な舞台を使って、イオン伝導や相転移の本質を明らかにする研究を進めています。
薄膜化によって、
- 結晶方位を揃えた単結晶的構造の制御
- 格子歪みや界面効果による新しい相の安定化
- 電極界面でのイオン輸送過程の可視化・分離
が可能になります。
これにより、粉末試料では観測できない真のイオン輸送特性や構造相関を精密に解析できます。
計算科学を用いた研究
当研究室では、物質内部の構造や性質を原子・電子レベルから解明するために、第一原理計算や分子動力学法といった計算科学的手法を用いた研究を行っています。特に注目しているのは、水素を効率的かつ安全に貯蔵できる水素化物材料です。これらの材料は、次世代のエネルギー社会において重要な役割を担うと期待されており、その特性や反応メカニズムの理解が求められています。
私たちは、水素化物中での水素や金属イオンの拡散挙動を分子レベルで解析し、拡散係数や拡散経路を明らかにすることで、材料の安定性や反応性に関する知見を得ています。こうした解析には、膨大な計算リソースが必要となるため、スーパーコンピュータを活用して高精度なシミュレーションを実施しています。これにより、実験では観測が困難な現象にもアプローチすることが可能です。
計算結果に基づく理論的な知見は、新しい材料設計や性能予測に活かされ、エネルギー・環境分野における革新的な技術開発に貢献しています。当研究室は、計算科学と物質科学の融合により、持続可能な社会の実現に向けた基礎研究を推進しています。
機能性材料の探索
アンモニアを貯蔵するペロブスカイト化合物
アンモニア(NH3) は肥料や化学原料としてだけでなく、水素キャリアや脱炭素燃料としての利用が期待されています。しかし、NH3は腐食性の気体であり、貯蔵には低温あるいは加圧による液化が必要です。そのため、安全かつ簡便にNH3を貯蔵する方法が待望されています。
私たちは、常温常圧でNH3を貯蔵する有機無機ハイブリッドペロブスカイト化合物を開発しました。一次元構造を示すペロブスカイト化合物はNH3との化学反応によって、二次元構造へと変化します。このときNH3は化学変化に伴い、低腐食性の窒素化合物となります。貯蔵された窒素化合物は、真空下50°CでNH3として取り出され、同時にペロブスカイト化合物は元の一次元構造に戻ります。このペロブスカイト化合物の可逆的な構造変化を利用することで、NH3の貯蔵と取り出しを繰り返し行うことができます。
ペロブスカイト化合物によるNH3貯蔵は、従来の方法に比べて安全かつ簡便にNH3を取り扱うことができるため、持続可能なNH3貯蔵システムの構築が期待できます。
二次電池の材料研究
準備中
