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。

In recent years, the rapid acceleration of production needs to be improved, and the performance innovation of production materials is indispensable. In addition, in the case of special storage equipment, high temperature and high voltage, the electric chemistry of the battery and the comparison of high voltage, safety and reliability of the battery are expected. In this study, the ABO3 + nMO2 series compounds, which are the main constituent elements of acid tetrahedra, show the development of a new material system due to the increase of electric field induced conductivity. The applicant has recently discovered that ABO3 + nMO2-based compounds have high storage density and rapid chargeability and are prepared for innovative new materials. This year, new ABO3 + nMO2 series compounds were explored, and the following achievements were obtained. (1) CaTiSiO5 has been proved to be an effective anti-ferroelectric material for the first time. SrTiGeO5 has excellent anti-ferroelectric properties (specific inductivity of 35 degrees in low voltage range, specific inductivity of 100 degrees in 200kV/cm). 3. The method for preparing KNbSi2O7 single crystal was established. KNbSi2O7 K, Nb and Si atoms are replaced by other elements, and the residual polarization value is 5~40μC/cm2. Add the elements and replace them. The research on crystal structure analysis, first-principle calculation, spectroscopic measurement, and complementary analysis of ABO3 + nMO2 compounds was carried out.

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