無機材料化学・無機固体化学・材料電気化学・二次電池・燃料電池・生体材料学・セラミックバイオマテリアル
エネルギー、環境および医療のための機能性固体材料の解析、設計及び合成に関する研究を行っています。高いエネルギー変換効率を持つ電気化学エネルギーに注目し、リチウムイオン二次電池や燃料電池等の材料開発に取り組み、結晶化学の理論に基づき構造の精密な解析と設計を行っています。また、バイオミネラリゼーションに学んだセラミックス合成プロセスによる骨修復材料の開発や、ドラッグデリバリーシステムなどへの応用を目的としたマイクロカプセルの開発について研究しています。
| 電気化学エネルギー材料の設計と開発 | 機能性セラミックバイオマテリアルの開発 |
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リチウムイオン電池は、携帯端末、電気自動車やドローン、再生可能エネルギーの蓄電用電源など、現在の我々の生活に欠くことのできないデバイスであり、さらなる高性能化が求められています。リチウムイオン電池は充電時にはリチウムイオンが正極から脱離して電解液を介して負極に挿入され、放電時には反対方向に移動します。我々は、リチウムが挿入(インターカレート)し易く(高速充放電能)、より多くのリチウムを挿入できる(高容量)ような正極・負極材料を開発しています。
また最近は速度論や電池の劣化の観点から、充放電状態から最安定状態に向かう構造変化(緩和)の挙動も調べています。たとえば負極材料にはグラファイトが使われていますが、半分程度リチウムを挿入した場合グラファイトの層間に一層おきにリチウムが入ったStage IIと呼ばれる構造が最安定です。しかし実際にはリチウム挿入時には比較的ランダムに入りStage Iのような周期性を示し、緩和とともにStage IIに変化する挙動を構造解析によって明らかにしています。
高いエネルギー密度をもち漏液や火災の心配のない、固体電解質を用いた全固体電池の研究が現在精力的に行われています。我々も高性能な酸化物系の固体電解質の開発を行っています。NASICON型構造を示すリチウムイオン伝導体LATPは有望な固体電解質ですが、硫化物系に比べるとさらなるリチウムイオン伝導率の向上が望まれます。我々はLATPマトリックス中にLaPO4を微分散させたコンポジットを合成し、「誘電体分散効果」により3倍程度のリチウムイオン伝導率の向上を見出しました。このリチウムの拡散係数の向上は、リチウムの同位体を用いた中性子ラジオグラフィによって確かめられています。
燃料電池は水素と酸素で水を生成する反応から直接電気を取り出すクリーンな発電デバイスです。とくに高温で作動する固体酸化物形はコジェネレーションも含めて発電効率が高く、高価な触媒も不要となります。固体酸化物形燃料電池の電解質には、酸化物イオン伝導体やプロトン伝導体などのセラミックスのイオン伝導体が用いられます。我々は欠陥構造を制御して良好なイオン伝導率を持つイオン伝導体の開発を行っています。また、中性子回折とマキシマムエントロピー法を組み合わせて、イオン伝導パスを調べる研究も行っています。
電池材料にかかわらず、その他さまざまな新規材料の開発を行っています。たとえば、空気中で、鉄の酸化物で最も安定な化合物はα-Fe2O3で、アルミニウムはα-Al2O3です。いずれもコランダム型構造を示しますが、格子定数の違いにより僅かな領域でしか固溶体を形成しません。我々の研究グループではメカニカルアロイング法によりα-Fe2O3とα--Al2O3の全率固溶体の合成に成功しました。新たに見いだされた中間領域で、リチウム負極材料として優れたサイクル特性を示すことがわかりましたが、新規物質なので他にも応用があるかもしれません。固溶体の形成はX線回折ばかりでなく、EXAFSやメスバウアー分光などによっても確かめています。
無機物から細胞まであらゆるものを繋ぐアパタイト、その可能性を追求する。「医療レス社会の実現に貢献する『アパタイト学』の構築」 (2022.03.11掲載)
骨はアパタイト結晶がコラーゲンと複雑な三次元構造を形成した複合体です。自然界において生物はこれを常温常圧で合成しています。当研究室では、生命体の構造をつかさどるユニークな生体物質「ヒドロキシアパタイト」（Ca10(PO4)6(OH)2）の高生体親和性と、生物の営みに学んだセラミックス合成プロセスであるバイオミメティック法に着目し、生体内で多様な機能を発現するバイオマテリアルの開発を展開しています。
セラミックスの中には骨欠損部で周囲の骨と自然に結合し、一体化する材料があります。これらは「生体活性セラミックス」と呼ばれ、重要な骨修復材料として実用化されています。1970年代初頭に米国フロリダ大学のHenchが、世界ではじめて骨と結合するガラス（Bioglass）を発明して以来、骨と結合するセラミックスの開発が世界中で盛んに進められてきました。しかしガラスなどのセラミックスは柔軟性に乏しく衝撃に弱いため、人工骨としての使用可能部位に制限があります。現代の臨床現場では、従来よりも早く、強く、長く骨と結合する性質を示し、それに加え高い機械的強度や柔軟性など、使用部位に応じた適切な力学的性質を満たす骨修復材料が求められています。当研究室では生物の営みに学んだセラミックス合成法である「バイオミメティック法」に着目し、材料化学・結晶化学・溶液化学・生物化学に基づいた合成プロセスにより、整形外科領域や歯科領域への応用を指向した骨修復に有用な生体活性材料の開発を、医歯工連携で進めています。
中空の微小球であるマイクロカプセルは、内部に種々の医薬品や機能性物質などを内包することにより、ドラッグデリバリーシステム（DDS）用担体や抗菌材料などへの応用が期待されています。当研究室では、骨の主要な無機成分「ヒドロキシアパタイト」で構成されるマイクロカプセルの開発を試み、DDSや遺伝子治療など現代の様々な医療現場で役立つ先進医療材料や、抗菌性や水質浄化機能を具備する環境調和型機能性材料の研究に取り組んでいます。
