研究内容 Theme

エネルギー材料
蓄電池電極材料:新規マグネシウム蓄電池の開発
我々は,ポストリチウムイオン電池の一つの候補として,2006年頃からマグネシウム蓄電池の可能性について研究を開始しました.その正極材料候補としてMgCo2O4の合成および評価を行っています。MgCo2O4はスピネル型の結晶構造を持つ酸化物です。高温では熱分解してしまうため、セラミックスの一般的な合成法である固相反応法では合成が難しく、水溶液中での湿式プロセスを用いて合成します。正極材料としては電子伝導性およびイオン伝導性などが必要なため、作製した試料に対し電気抵抗特性の測定を行っています。現在は,種々の活物質の探査および正極開発,負極開発,電解液開発を総合的に俯瞰的に行っております。

MCO
蓄電池電極材料:ロッキングチェア型 Li-Mg 二塩蓄電池の開発
マグネシウム蓄電池開発における難所の一つは,マグネシウムイオンの脱挿入を可能にする正極材料の探査であるが,逆に,マグネシウム電析は極めてスムーズな電析形態を示すことは利点である.一方,リチウム(イオン)電池では正極については問題ないが,リチウム電析形態がデンドライト形状になることが致命的な問題である.そこで,正極反応にはリチウムイオン,負極反応にはマグネシウムイオンに半電池反応を担わせるとどういうことが起こるのか?という着想に至った.そこで,我々は多価金属を利用した蓄電池の実現のために,古典的なダニエル電池を基礎とした新しい概念の蓄電池,すなわち複数の塩を溶解させた電解液を用いた蓄電池を考案し,試作と評価を先駆けて行った.DSB
蓄電池電極材料:リチウムイオン電池用負極材料
近年、有用な二次電池としてリチウムイオン電池がモバイル機器等に用いられていますが、現在その負極に採用されている炭素系材料は容量の限界に近づいており、さらなる性能の飛躍を求めてスズ系の材料が注目を集めています。スズ系材料は炭素系のものに比べてリチウム容量が数倍も大きいため、実用化されればリチウムイオン電池のさらなる高容量化が期待できます。しかし実用化のためには充放電に伴う電極劣化により寿命が短くなってしまうなどの重大な欠点の克服が課題となります。本研究ではスズ単体の電極を用いた電池を組み充放電試験を行うことで、電極劣化メカニズムなど充放電に伴う挙動の解明を試みます。その中でひとつの性質として充放電に伴うスズ負極の大きな体積変化が試験電池の起電力に影響をもたらすことが明らかになってきました。これは体積変化に伴う歪エネルギーの影響だと考えれ、得られた考察を元にし、更なる特性を持つスズ系のリチウムイオン電池負極新材料を考案していきます。
熱電材料:構造制御による新たな挑戦
大気中に放出されている莫大な低温(300℃以下)廃熱エネルギーを回収する技術として,材料に温度勾配を印加することで生じる熱起電力(ゼーベック効果)を利用した「熱電変換発電」が挙げられます.このような「熱」から「電気」エネルギーへの直接変換を実現する熱電発電材料として,現在までBi2Te3がごく小規模に使用されており,またBi2Te3の熱電変換性能を凌駕する熱電変換材料が幾つも開発されてきましたが,希少・有害性元素を含む,熱安定性が欠如している,もしくは製造コストが高いなどの理由により,熱電変換発電の大規模・産業化には至っていません.本研究室では,熱電変換発電の大規模・産業化を実現する,有害元素を含まず,かつ資源性に優れて低価格な元素のみから構成される高性能バルク熱電変換材料の開発を目指しています.高炉やゴミ焼却場で発生した低品位廃熱,さらには自動車廃熱を回収することができれば,莫大なCO2排出量を削減することができ,低炭素社会の実現に貢献できます.
構造材料を目指した合金の相変態
チタンのω変態の解明と組織制御
合金の相変態において,まだ解明されていない相変態が,チタンのω変態です.De Fontaineにより概ね論理的にはまとめられてはいるものの,まだ完全にその考え方により説明できない現象も多い.我々は,最近の多根正和氏(阪大産研)らの興味深い研究に基づき,共同でω変態挙動の解析と解明を目指している.また,その相変態機構の理解により,新たな力学物性を得るための制御指針を得る.

ガラス材料の振動・光・電場誘起相転移
金属ガラスの緩和挙動と構造不均一性
金属ガラスはここ10-20年の間に見出された新しい金属材料で、現在、物理・化学・工学の観点から活発に研究がなされています。 ガラスは従来、酸化物ガラスなどの共有結合性やイオン結合性、などの比較的強固な結合を有するクラスター形成能の高い物質が主流ですが、 金属は当然であるが主に金属結合から成り、一般的にクラスター形成能はそれほど高くないのにも関わらず、 このような金属ガラスが形成されることは、非常に興味深くまた謎です。 これまで通常のガラスの世界では当然とされていた現象、例えばガラス転移は必ず結晶化温度以下にありますが、 金属ガラスの場合には、その逆転が起こったりもします。このように、金属ガラスを研究することにより、 これまで未解決であったガラス転移に関する動力学や熱力学、また構造の観点からみた物性の異常性などを理解することができる可能性があります。 上図は、構造特性、熱力学的性質、ダイナミクスの3つの関連を表す図です。ガラスはそもそも非平衡物質であるため、 すべての実験や理論において時間軸を導入することが必要です。本研究室では、このような観点から、ガラス転移、β緩和、 ミクロ構造とナノ構造(構造の階層性)についてX線回折による静的構造、X線非弾性散乱による動的構造、超音波共鳴法、 高速熱分析などの新たな手法を用いて、金属ガラスの構造安定性とダイナミクスに関する研究を行っています.

MG
光相変化材料
物質に光が照射されたとき,固体中の電子や原子は光のエネルギーにより,基底状態から,よりエネルギー高い状態(励起状態)に遷移します.励起状態に至った物質は,反射率や電気抵抗などの物性値に変化が観測されますが,数ナノ秒から数マイクロ秒程度という短時間で基底状態に緩和します.一方で,特定の物質群においては,光照射によって結晶構造自体が変化し,長時間あるいは半永久的にその構造を保持することが知られており,光相変化材料と呼ばれています.例えば,Ge-Teを基本とする化合物群は,光照射によって結晶相からアモルファス相への相変化を可逆的に行うことが可能であり,DVDの記録用材料として用いられています.本研究室では,フェムト秒レーザーを利用し,相変化材料の相変化ダイナミクスの解明と,より短時間・省エネルギーで記録消去ができる材料開発を目指していきたい.

GST