逆バイアス効果が切り拓く蓄エネルギーセラミックスのフロンティア

反向偏压效应开辟储能陶瓷前沿

• 批准号: 22K18308
• 负责人: 保科 拓也
• 金额: $ 16.64万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18308/
• 关键词: 蓄エネルギー; 誘電体; 非線形材料; セラミックス; カーボンニュートラル

近年の急激な加速を続けるエネルギー需要に応えるために蓄エネルギー材料の性能革新が必要不可欠である。その中でも特に蓄エネルギーセラミックスは、高温・高電圧下において電気化学キャパシタや種々の電池と比較して圧倒的に優れた安全性と信頼性を有する材料として強く期待されている。本研究では酸素四面体を主要な構成要素とするABO3+nMO2系化合物に着目し、電場印加に伴って誘電率が増加するユニークな非線形誘電応答（逆バイアス効果）を示す新規物質系を開拓する。申請者らが近年発見したABO3+nMO2系化合物における反強/フェリ誘電性のメカニズムの解明に取り組み、それによって得られる知見に基づいて、従来の蓄エネルギーセラミックスを凌駕する高蓄エネルギー密度と急速充放電性を共に備えた革新的な新材料を創製する。該当年度は、新たなABO3+nMO2系化合物の探索に取り組み、主に以下の成果を得た。①CaTiSiO5に関して分極－電界特性の二重履歴（ダブルヒステリシス）を初めて観測し、同物質が反強誘電体であることを実証した。②SrTiGeO5が優れた逆バイアス効果を示す新しい反強誘電体であることを見出した（低電界下での比誘電率は35程度であるが、200kV/cmにおいて100程度の比誘電率を示すことがわかった）。③KNbSi2O7単結晶の作製方法を確立した。④KNbSi2O7のKサイト、Nbサイト、Siサイトを他の元素で置換することにより、残留分極値を5～40μC/cm2の範囲で制御できることが明らかになった。加えて、ある種の元素を置換すると、フェリ誘電的な分極履歴が得られた。また、結晶構造解析、第一原理計算、分光測定などを相補的に駆使し、ABO3+nMO2系化合物が示すユニークな逆バイアス特性の起源の解明に向けた研究を実施している。

创新储能材料的性能对于满足近年来能源需求的快速加速至关重要。其中，与电化学电容器和高温和电压下的各种电池相比，储能陶瓷的材料尤为高。这项研究的重点是基于ABO3+NMO2的化合物，其氧四面体是其主要成分，并开发了一种新型的材料系统，该系统表现出独特的非线性介电响应（反向偏置效应），其中介电常数随电场的应用而增加。申请人将努力阐明近年来发现的基于ABO3+NMO2基于ABO3+NMO2的化合物中抗强度/铁晶的机制，并根据获得的知识，它们将创建具有高能量存储密度和快速电荷的创新新材料，又具有快速充电和超过传统储能储存的储能储存的材料。在这一年中，我们致力于寻找新的基于ABO3+NMO2的化合物，主要实现以下结果：1）首次观察到Catisio5的偏振电场特征（双滞后）的双重历史，并证明材料是抗弗弗罗伊电气。 2）我们发现SRTIGEO5是一种具有出色反向偏置效应的新型抗fiferroelectric（尽管低电场下的相对介电常数约为35，但发现它在200 kV/cm时的相对介电率约为100）。已经建立了用于制备KNBSI2O7单晶的方法。 ④据揭示了通过用其他元素替换KNBSI2O7的K位点，NB位点和SI位点，可以在5至40μC/cm2的范围内控制残留极化值。另外，替换某些元素产生了铁二层极化史。此外，我们正在进行旨在阐明ABO3+NMO2化合物所表现出的独特反向偏置特性的起源的研究，并使用互补方法，例如晶体结构分析，第一原理计算，光谱镜和其他相似性。

项目成果

KNb(GexSi1-x)2O7単結晶の構造解析と誘電特性評価

KNb(GexSi1-x)2O7单晶的结构分析及介电性能评价

• 发表时间: 2023
• 作者: 菅幸生，安原颯，鶴見敬章，保科拓也

Elucidation of Dielectric Polarization Mechanism Using THz Spectroscopy

使用太赫兹光谱阐明介电极化机制

• 发表时间: 2022
• 作者: ファン トン;常盤 輝;掛須 雅子;三浦 章;忠永 清治;H. Furuse;R. Ishikawa S. Morishita T. Tanigaki N. Shibata Y. Ikuhara;Takuya Hoshina
• 通讯作者: Takuya Hoshina

チタン石型酸化物CaTi(Si1-xGex)O5の放射光X線単結晶構造解析

钛矿型氧化物CaTi(Si1-xGex)O5的同步辐射X射线单晶结构分析

• 发表时间: 2023
• 作者: 中埜彰俊;佐藤大貴;寺崎一郎;谷口博基
• 通讯作者: 谷口博基

Ferroelectric Properties of AgxK1-xNbSi2O7 Single Crystals

AgxK1-xNbSi2O7 单晶的铁电性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Takuya Hoshina;Yukio Suga;Sou Yasuhara;Takaaki Tsurumi
• 通讯作者: Takaaki Tsurumi

チタン石型酸化物CaTi(Si1-xGex)O5の分極特性

钛矿型氧化物CaTi(Si1-xGex)O5的极化特性

• 发表时间: 2023
• 作者: 渡邉匠海;桑野太郎;中埜彰俊;横田紘子;佐藤幸生;出口和彦;谷口博基
• 通讯作者: 谷口博基