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中性子産業利用推進協議会

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       汎用元素からなる新規高容量電極材料の開発に成功
     リチウムイオン蓄電池の高容量化実現につながる正極材料の発見
    ~ 次世代の蓄電池の実現により、電気自動車の高性能化などに期待 ~

東京電機大学 工学部環境化学科の藪内直明准教授らの研究グループは、リチウムイオン電池用電極材料として酸素の酸化還元を充放電反応に用いる汎用元素で構成される新規岩塩型酸化物の合成に成功しました。

 近年、次世代の正極材料として「酸素分子」が注目されています。しかし、空気中の酸素分子を利用するリチウム・空気電池の理論エネルギー密度は高いものの、一般的なリチウムイオン電池と比較して構造が大きく異なり、実用化へ向けて解決すべき多くの課題があります。一方、同じ酸素を固体である「酸化物イオン」として用いることで、従来のリチウムイオン電池と全く同じ構造のまま、空気電池に匹敵するエネルギー密度を目指す研究が行われています。その結果、藪内准教授らは、昨年度までにニオブを用いることで高容量が得られることを確認しました。しかし、ニオブは高価な元素であり、電気自動車やスマートグリッド用途への展開は難しいと考えられていました。そこで、ニオブ系材料の反応機構を詳細に解析した結果、ニオブをチタンに代替できる可能性を見出し、実際にチタン・マンガン系材料 (図2参照) を合成したところ、ニオブ系材料以上の高エネルギー密度が得られることが確認できました。

 この新規チタン・マンガン系材料 (Li1.2Ti0.4Mn0.4O2) のエネルギー密度 (正極重量ベース) を評価したところ、既存の電気自動車用のリチウム電池で広く用いられているスピネル型*1リチウムマンガン酸化物 (LiMn2O4) やリン酸鉄リチウム (LiFePO4) を大きく上回る 1,000 mWh/g 以上のエネルギー密度が得られることがわかりました。また、放射光や中性子を用いた構造解析から、これらの反応は通常の材料において進行するような遷移金属イオンの酸化還元反応ではなく、特異的にチタンとマンガンと結合している酸素の酸化還元反応が進行することで高容量材料となることもわかりました。

 このエネルギー密度は、これまでに報告されているトポタクティック*2な反応様式で進行する電極材料としては非常に高い値です。

 これらの研究成果は、酸素の酸化還元反応を利用することで、さらなる高エネルギー密度の電極材料の発見につながる可能性も秘めています。また、安価なチタンを用いた高性能蓄電池材料の実現は、電気自動車用の走行距離の増加だけではなく、リチウムイオン電池の新たな市場の開拓につながることが期待されます。

本成果は,Nature Communications に2016年12月23日19:00に掲載されました.下記HPをご参照ください.
   http://nature.com/ncomms/


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      タンパク質単結晶の回折斑点強度を高精度に決定する手法
        パルス中性子を用いた回折データで世界初の実用化

J-PARC 内の茨城県生命物質構造解析装置iBIXにより上記成果を確立し,12月16日にプレス発表しました.

茨城大学フロンティア応用原子科学研究センターの矢野直峰助教らとJ-PARCセンターによる研究グループが、タンパク質単結晶のパルス中性子回折において、回折斑点強度をより高精度に決定するプロファイルフィッティング法を実用化することに成功しました。

これは大強度陽子加速器施設・J-PARC(茨城県東海村)の物質・生命科学実験施設に茨城県が設置した 「茨城県生命物質構造解析装置(iBIX)」で確立したものです。同装置では、強度を得るため非対称な波長 領域をもつパルス中性子を使用していますが、回折斑点の強度決定についても、従来の積算法より高精度 な方法の確立が求められていました。今回、研究グループでは、回折斑点の弱い強度も精度良く決定でき る「プロファイルフィッティング法」を、タンパク質単結晶のパルス中性子回折で実用化することに、世 界で初めて成功しました。実用化した方法は回折データ処理ソフトSTARGazer に実装され、ユーザーが容 易に利用できるようになりました。 これにより、タンパク質中の水素原子やプロトンの位置や存在についてより信頼性の高い情報を得るこ とができるようになり、エネルギー問題や創薬などの分野への貢献が期待されます。 今回の成果は、2016 年12 月1 日に英国科学雑誌「Nature」の姉妹誌でオープンアクセス誌の
「Scientific Reports」
   http://www.nature.com/articles/srep36628

に掲載されました。

詳細については下記の茨城県HPまたは上記「Scientific Reports」をご参照ください.
http://www.pref.ibaraki.jp/kikaku/kagaku/j-parc/documents/281216_pressrelease.pdf

                                 2016年11月1日
                                  理化学研究所
                                  土木研究所
                                  科学技術振興機構

       中性子によるコンクリート内損傷の透視
    -非破壊検査法でインフラ利用者の安全を守る-

理化学研究所(理研)光量子工学研究領域中性子ビーム技術開発チームの大竹淑恵チームリーダー、土木研究所構造物メンテナンス研究センターの石田雅博上席研究員らの共同研究チームは「理研小型中性子源システムRANS」を用いて、コンクリート内の空隙および水に対する反射中性子(後方散乱中性子)を利用する非破壊検査法を開発しました。

実証実験では厚さ方向に中性子を入射し内部構造を計測しました。その結果最大で30cm奥にある水に見立てたアクリルブロックや空洞の位置を二次元分布で特定しインフラ構造物の非破壊検査法として適用できることを実証しました。

今後、インフラ構造物付近へ持ち込み可能な「可搬型加速器中性子源」の開発とともに、測定時間短縮のための検出器改良や計測の最適化を行いコンクリート内劣化損傷の検出能力の向上を目指します。

詳細については下記のURLをご参照ください。
  http://www.riken.jp/pr/press/2016/20161101_2/

中性子産業利用推進協議会
2016年度
J-PARC
2016年度
  ・永久磁石材料の中性子構造解析
  ・汎用元素からなる新規高容量電極材料の開発に成功
  ・特殊環境微小単結晶中性子構造解析装置 BL18「SENJU」
  ・中性子反射率測定による塗膜・接着剤中の水分析
  ・中性子準弾性散乱による電池材料のイオン伝導解析
  ・小角散乱とブラッグエッジの同時解析による鉄鋼材料の構造評価
  ・充放電しているリチウム電池の内部挙動の解析に成功
  ・永久磁石材料の中性子構造解析
  ・一軸応力を用いた磁気スキルミオン相の制御
  ・パルス中性子ブラッグエッジ透過法による丸棒鋼の焼入れ深さと
   ビッカース硬さ測定

  ・コバルト酸鉛の合成に世界で初めて成功し、新規の電荷分布を発見
  ・オペランド中性子反射率法により Li イオン二次電池の被膜形成過程を解明
  ・Operando 測定による 18650 型リチウムイオン二次電池の劣化解析
  ・CROSS TU ポリ塩化ビニリデンフィルム中の油の分散状態観察
  ・1つの金属原子に9つもの水素が結合した新たな物質の誕生
  ・金属強磁性体SrRuO3の量子力学的なスピンの運動を観測
  ・パーキンソン病発症につながる「病態」タンパク質分子の
   異常なふるまいを発見
2015年度
  ・超イオン伝導体を発見し全固体セラミックス電池を開発
  ・ヒドリドイオン "H-" 伝導体の発見
  ・リチウム同位体を用いた電極断面方向の反応分布解析
  ・理研小型中性子源システムRANS
  ・BL18TOF単結晶中性子回析計SENJUの性能評価
  ・先端鉄鋼材料の変形機構の解明
  ・中性子小角散乱によりフェノール樹脂の熱硬化反応過程を解明
  ・遠心鋳造二相ステンレス鋼の相応力分布の解明
  ・BL04「ANNRI」における新しい元素分析法の開発
  ・次世代の全固体リチウムイオン電池の開発に向けて
  ・タイヤ用新材料開発技術「ADVANCED 4D NANO DESIGN」を確立
  ・偏極パルス中性子イメージングを利用したモーター内部磁界の観察
2014年度
  ・超高分解能粉末中性子回折装置BL08「SuperHRPD」の現状
  ・直線加速器リニアックの400MeVへの増強
  ・燃料電池用電解質ナフィオンの膨潤過程の解明
  ・パルス中性子による中性子ブリルアン散乱
  ・高強度全散乱装置 BL21「NOVA」
  ・中性子線を利用したin situ測定による電池内部の電極構造変化
  ・放射光と中性子を用いた有機太陽電池薄膜の構造解析
  ・エネルギー分析型中性子イメージング装置 BL22「螺鈿(RADEN)」
  ・界面活性剤の皮膚への影響
2013年度
  ・J-PARC BL05 中性子光学基礎物理測定装置(NOP)
  ・偏極中性子小角散乱実験によるカイラルソリトン格子の観測
  ・BL04 中性子核反応測定装置(ANNRI)
  ・中性子反射率法による自己修復可能なポリマーブラシの評価
  ・マルチプローブで見る高分子ブレンドの脱濡れ
  ・鉄鋼の低温ベイナイト変態における中性子回折と熱膨張の同時測定
  ・高出力水銀ターゲットの開発
  ・特殊環境中性子回折装置 BL09「SPICA」
2012年度
  ・高圧下中性子回折で明らかになった新しいランタン水素化物の形成
  ・中性子回折による岩石のひずみ測定
  ・偏極中性子反射率計BL17「写楽(SHARAKU)」
  ・中性子準弾性散乱のモデルフリーな解析法の開発とAMATERAS における
   水への適用

  ・工学材料回析装置「匠」における集合組織測定システムの開発
  ・大強度型中性子小中角散乱装置BL15「大観(TAIKAN)」
  ・非鉛強誘電体の粉末構造解析と単結晶開発
  ・ダイナミクス解析装置 BL02 「DNA」
  ・高分子材料開発への中性子非弾性散乱法の応用
2011年度
  ・超高圧中性子回折装置 BL11 「PLANET」
  ・高分解能チョッパー分光器BL12「 HRC」
  ・粉末回折装置を用いたLi イオン導電体構造解析に基づくイオン導電機構
  ・核融合実験炉ITER 用超伝導線材における残留ひずみの測定
2010年度
  ・試料水平型中性子反射率計BL16「ARISA-II」
  ・冷中性子ディスクチョッパー型分光器 BL14「AMATERAS」
  ・NOVA による水素貯蔵材料の水素-水素相関の直接観察
  ・四次元空間中性子探査装置BL01「四季」
  ・ARISA-II を用いた水との接触によるアクリル表面の特異的挙動の観察
  ・NOBORUによる天保小判の非破壊分析
2009年度
  ・J-PARC/MLF の工学材料回折装置「匠」
  ・高強度全散乱装置 NOVA (BL21)
2008年度
  ・超高分解能粉末構造解析装置BL08「SuperHRPD」の開発
  ・フェルミチョッパー型非弾性散乱装置「四季」における高効率ダイナミクス
   同時測定

J-PARC学術成果
2015年度
  ・超高圧中性子回析装置PLANET(BL11)
  ・偏極中性子反射率と深さ分解X線磁気円二色性を用いた界面におけるね
   じれ磁気構造の解明

  ・銅酸化物高温超伝導体における高エネルギー磁気励起の電子注入効果
  ・スキルミオンを生成・消滅する新手法
  ・水素で世界を変えられるか
2014年度
  ・DNA の曲がりやすさにも遺伝子発現情報が含まれている
  ・イリジウム化合物CuIr2S4が示す新奇な磁性
  ・鉄系超伝導物質で新しい型の磁気秩序相を発見
  ・量子ビームの合わせ技で電子の動きを捉える
  ・新構造の酸化物イオン伝導体を発見
  ・人類が手にする物質を透視する新しい"眼"
  ・鉄に溶けた水素はどこにいる?
  ・室温ミュオニウムの大量生成に成功
  ・J-PARCがもたらす新たな元素分析法
  ・J-PARCの3GeVシンクロトロン加速器が性能を大幅に向上
2013年度
  ・J-PARC中性子実験装置で世界トップレベルのエネルギー高分解能と
   低ノイズを実現

  ・世界最大強度のパルス中性子源を実現した先進技術
  ・J-PARCで世界最大のパルス中性子ビーム強度を達成
  ・セラミックコンデンサ中の水素不純物が絶縁劣化を引き起こすメカニズムを
   解明

2012年度
  ・岩塩(NaCl)構造をもつレアアースメタルの水素化物を発見
2011年度
  ・世界最高性能の中性子集光技術を確立
  ・J-PARCで加速器用超高性能磁性体コア量産に成功
  ・世界最高のリチウムイオン伝導率を示す超イオン伝導体の開発


JRR-3
2014年度
  ・重水素燃料電池と中性子散乱
2013年度
  ・光導波モードセンサー用糖鎖ポリマー高分子薄膜の構造解析
  ・六方晶フェライトの磁気モーメントの温度依存性
  ・単結晶Ni基超合金タービンブレードの損傷評価
  ・ゴムの不均一構造解析
  ・中性子散乱によるアミロイド線維形成蛋白質の内部ダイナミクスの解析
  ・LaBaGaO4 系プロトン伝導体の結晶構造解析
  ・中性子回折によるLiCoO2 のNi ドープ材の構造解析
  ・高強度厚肉溶接継手の残留応力分布解析
  ・液体ロケットエンジン燃焼器の残留ひずみ解析
2012年度
  ・1500CC 級アルミニウム合金エンジンブロックの残留応力
  ・燃料電池用電解質材料の構造評価
  ・中性子小角散乱による毛髪の構造解析
  ・高分子の繊維構造(シシケバブ構造)の精密解析
  ・流動場における結晶性高分子の構造形成
  ・中性子回折を用いたSOFC 材料のアニール効果の考察
  ・光学活性を有する低分子ゲル化剤のらせん凝集における階層構造
  ・単結晶中性子回折による有機-無機複合化合物 の結晶構造解析
  ・有機低分子材料の結晶構造解析
  ・磁気デバイス用交換結合膜における界面磁気構造の中性子反射率による
   解明

  ・せん断変形下におけるポリアクリロニトリル溶液のSANS 解析
2011年度
  ・新規光触媒Ti アパタイトの精密結晶構造の解明
  ・チタン合金の塑性変形挙動に及ぼす集合組織の影響
  ・冷中性子ラジオグラフィ装置「CNRF」
  ・ガリウム系酸化物における格子間イオン伝導経路の可視化
  ・ジルカロイ-2 酸化膜中における水素の構造解析
  ・中性子光学システム評価装置「NOP」
  ・末端を官能基修飾した高機能ゴム材料中のフィラーの構造解析 
  ・電子写真現像器内の現像剤粉体流動の可視化
  ・核融合実験炉ITER用超伝導線材における残留ひずみの測定
  ・中性子超小角散乱装置「PNO」
  ・サイクル耐久性に優れたリチウムイオン二次電池正極材
2010年度
  ・中性子を用いて水と氷の強誘電性を解明 --身近な水・宇宙の氷--
  ・集光型超小角散乱実験装置SANS-J-Ⅱ
  ・偏極中性子反射率計SUIREN
  ・中性子ラジオグラフィによるコンクリート内部の水分動態可視化
  ・中性子散乱法とレオロジー測定によるナノサイズエマルションの解析
  ・中性子三軸分光器TAS-1
  ・多目的単色熱中性子ビームポート『武蔵』
  ・ありふれた永久磁石をマルチフェロイック磁石に
2009年度
  ・高分解能粉末回折装置「HRPD」によるLiイオン電池構造の解析
  ・水素フリーDLC膜の膜密度の評価
  ・中性子によるHIV-1 プロテアーゼの全原子構造決定に成功-より治療効果
   の高いエイズ治療薬の創製をめざして- 

  ・世界で初めてエンジン内部の潤滑オイル挙動の高速度可視化技術共同
   開発を開始-CO2 排出量削減に向け、低燃費エンジン開発を加速-

  ・残留応力測定用中性子回折装置(RESA-1,RESA-2)
  ・中性子非弾性散乱で観るタンパク質ダイナミクスに対する水和の影響
  ・即発γ線分析装置「PGA」
  ・作動状態にある燃料電池の内部を可視化する
   -中性子小角散乱は生きたままをみる分析技術-

  ・熱中性子ラジオグラフィ装置「TNRF」

茨城県
2016年度
  ・超イオン伝導体を発見し全固体セラミックス電池を開発
  ・中性子とX線を相補利用したNaイオン電池正極材料の充放電機構の解明
  ・窒素をアンモニアに変換する水素化触媒類似化合物の構造解析
  ・永久磁石材料の中性子構造解析
  ・リチウムイオン電池正極 LiFePO4の緩和解析
  ・ナトリムイオン電池用NaCrO2-TiO2系層状酸化物の結晶構造と充放電特性
  ・Li イオン二次電池用遷移金属含有電極材料の構造解析
  ・Li イオン電池電極材料オリビン型 Li2/3FePO4における超構造の解析
  ・茨城県材料構造解析装置「iMATERIA」で始動した小角&中角散乱計測
  ・iBIX によるα-トロンビンの触媒機構の解明
2015年度
  ・超イオン伝導体を発見し全固体セラミックス電池を開発
  ・ヒドリドイオン "H-" 伝導体の発見
  ・リチウム同位体を用いた電極断面方向の反応分布解析
  ・中性子結晶構造解析による立体反転型セルラーゼ反応メカニズムの解明
  ・太陽電池材料Cu2ZnSnS4の結晶欠陥構造の解明
  ・茨城県の生命物質構造解析装置iBIXの現状
  ・プロトン共役型電子移動錯体の合成とその中性子単結晶構造解析
  ・ビリン還元酵素PcyAとその基質ビリベルジン複合体の結晶構造
  ・L-グルタミン酸ナトリウムの粉末結晶構造解析
  ・中性子と放射光を相補利用したLiイオン電池正極材料の充放電サイクルに
   おける結晶・電子構造解析

  ・小角散乱法によるメタロセンEPDMの構造解析とその物性
2014年度
  ・Nd-Fe-B系焼結磁石の高温その場中性子回折
  ・酸化物系非白金燃料電池触媒の活性点構造解析
  ・5'-イノシン酸2ナトリウム・5'-グアニル酸2ナトリウム混晶の中性子結晶
   構造解析

  ・茨城県材料構造解析装置iMATERIAの現状
  ・リチウムイオン電池用正極活物質の充電過程における原子核密度分布の
   可視化

  ・Li過剰層状酸化物系リチウムイオン電池正極材料における充放電過程の
   結晶構造解析

  ・Li量を変化させた固溶体系正極活物質の結晶構造解析
  ・ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼモデル錯体の構造解析
2013年度
  ・PBO-ZnO-B2O3系ガラス固化体の結晶構造解析
  ・Liイオン電池の固体電解質の結晶構造解析
  ・ヒトα−トロンビンと阻害剤複合体の結晶構造解析
2012年度
  ・火力発電所排ガスからCO2 を吸収する吸収液の中性子散乱解析
  ・アイソトープ置換によるLiCoO2 の結晶構造
  ・iBIX によるアミロイド性タンパク質の中性子結晶構造解析
  ・中性子回折法によるBi 系酸化物超電導線材の非破壊分析
2011年度
  ・その場中性子実験によるナノベイナイト鋼の研究
  ・コインセルサイズ(試料量8.5mg)でリチウムイオン電池用正極材料の
   充放電過程の中性子回析測定

  ・高出力リチウムイオン二次電池用正極材料の中性子結晶構造解析
  ・中性子回折による遷移金属酸化物中の酸素占有率の評価
  ・TiO2 系光触媒の中性子回折による結晶構造解析
2010年度
  ・有機粉末シメチジンの中性子回折による構造解析
  ・茨城県生命物質構造解析装置(iBIX)用結晶構造解析ソフトウェアの開発
  ・粉末回折データ解析ソフトウェア「Z-Code」
  ・グルタミン酸の中性子構造解析