タグ: 物質・材料研究機構 / NIMS（組織）

各種探索手法を用いた際の、発見した電解液性能の経時変化。ランダム探索（黒線）に比べて、局所最適値法（赤線）やベイズ最適化（青線）を用いた場合の方が、より効率的に高性能電解液を発見できる

物質・材料研究機構（NIMS。松田翔一氏、Guillaume Lambard氏、袖山慶太郎氏）は3月23日、リチウム空気電池の電解液材料の材料探索において、独自の電気化学自動実験ロボットと、ベイズ最適化に代表されるデータサイエンス的手法を組み合わせた新しい手法を確立し、充放電サイクル寿命を2倍に向上させる電解液材料の開発に成功したと発表した。次世代蓄電池の開発を加速する、有力な手法になることが期待される。

車載用やスマートグリッド用など、蓄電池の需要が高まっていが、現在多く使われているリチウムイオン電池の性能は限界に達している。そこで革新的な蓄電池のいち早い実現が求められているが、その候補となっているのがエネルギー密度がリチウムイオン電池の2倍から5倍というリチウム空気電池だ。しかし、リチウム空気電池は充放電サイクル寿命が短いことがネックとなり、実用化が進んでいない。そこを改善するには、正極と負極での反応効率が高い電解液材料を開発する必要がある。それには、膨大な数の化合物の候補の選定や組み合わせを行わなければならず、研究者の勘と経験を頼り試行錯誤されているのが現状だ。

電気化学自動実験ロボットの（a）注液部、（b）全体像、（c）電極部

研究チームは、独自に開発した電気化学自動実験ロボットとデータサイエンス的手法を組み合わせて、この問題に取り組んだ。このロボットは、電解液の調合と電池性能評価を人の100倍の速度で行える。そこでアミド系電解液に的を絞り、その弱点である負極の反応効率の低さを解消する電解液の添加剤を探すことにした。添加剤の候補の組み合わせは1000万通り以上あり、そこからランダムに選び出した4320種類のサンプルの負極反応効率を評価した。その結果、86.1％まで反応効率を高める添加剤の組み合わせを発見できた。これに対して、局所最適値法とベイズ最適化といったデータサイエンス的手法を採り入れて探索を効率化すると、最大で92.8％まで反応効率を高める組み合わせが見つかった。この添加剤を導入した電解液を使用すると、リチウム空気電池の充放電サイクル寿命は約2倍に増大した。

この研究は、「試行錯誤的に行われてきた電解液材料の開発に対して、大きなインパクトを与えるもの」だという。またこの手法は、ナトリウムイオン電池やマグネシウム電池などの蓄電池用電解液の材料開発への適用も期待されるとのことだ。

物質・材料研究機構（NIMS）は2月10日、低温の水には2種類の液体状態があり、それらの可逆な液体間で転移（液液転移）することを直接観察することに成功したと発表した。これにより、摂氏4度で密度が最大になるなどの水の不思議な性質の解明につながることが期待される。

一般に、物質を冷やすと体積は小さくなるが、水の場合は摂氏4度で収縮から膨張に転じる。400年前から知られている現象ながら、科学的な説明は今もなされていない。だが近年、そこには低温で密度の異なる水が2種類存在する可能性が指摘され、それが水の不思議な振る舞いの関係していると考えられるようになった。

NIMSでは、糖質の一種であるトレハロースの低濃度水溶液ガラス（液体でありながら流動性のない状態）を用いることで、様々な温度と圧力の中での低密度状態と高密度状態の間の転移の観察を可能にした。その結果、マイナス摂氏133度（140K）以上で観測される可逆なポリアモルフィック転移（固体ながら結晶化しないアモルファスが複数存在し、その間で転移が行われること）が、液液転移であることを明らかにした。つまり、低密度状態から高密度状態への液液転移が初めて観測されたということだ。

この2つの水の状態は、室温で1気圧の水だけでなく、水溶液の物性や構造にも影響するものと考えられる。この2つの水の状態を制御できれば、水溶液や生体分子などの構造や機能を制御できるようになる可能性も生まれる。今後は、この2つの水の状態と物質との関係を明らかにして、溶液化学、低温生物学、気象学、食品工学、環境学などの低温の水に関係する分野への応用、具体的には、細胞や食品の凍結保存技術や凍結試料の解凍技術への応用を目指すと、NIMSでは話している。

（a）今回の研究で作製したダイヤモンド電界効果トランジスターの構造。正孔の密度と移動度を正確に評価するために、ゲート電圧をかけながらホール（Hall）効果の測定が可能な構造にした。（b）ダイヤモンド表面を水素プラズマにさらして水素終端化したあと、大気にさらさずArで満たされたグローブボックスに搬入し、その中で劈開（へきかい。鉱物などが特定方向に沿って割れること）した六方晶窒化ホウ素単結晶薄片を貼り付けることで、アクセプターとして働く大気由来の吸着物を低減した

物質・材料研究機構 (NIMS) と筑波大学は1月18日、新しい設計指針に基づいて作製されたダイヤモンド電解効果トランジスターで、高い正孔移動度とノーマリオフ動作を実証したことを発表した。低損失の電力変換や高速情報通信に資する素子の実現につながるという。

ダイヤモンドは、バンドギャップが広い炭化シリコン（SiC）や窒化ガリウム（GaN）と比べても、さらにバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体としての特性に優れている。そのため、電力を制御するパワーエレクトロニクスや情報通信などにおいて、高電圧・高温・高速・低損失で動作する素子の材料になりえる。だが、これまで研究されてきた、表面の炭素が水素と結合した水素終端ダイヤモンドを使った電解効果トランジスターでは、移動度（電流を担う正孔の動きやすさ）が本来の1/10から1/100に低下するといった問題があった。

そこで研究グループは、これまで使われてきたアルミナなどの酸化物に代えて六方晶窒化ホウ素をゲート絶縁体に使い、水素終端ダイヤモンドの表面を大気にさらさない新しい製造方法を用い、オン状態での移動度が従来の5倍以上という高性能なトランジスターを開発。同時に、安全性の面から重要となるノーマリーオフ動作（ゲートに電圧がかからないときは電流が流れない）も実現された。これまでのダイヤモンド電解効果トランジスターでは、逆のノーマリーオンの状態が示されおり、特にパワーエレクトロニクスにおいては、安全性に問題があった。

さらに、これまで水素終端ダイヤモンドで電気伝導性を生じさせるために不可欠とされていながらトランジスターの性能を制限していた「アクセプター」が不要であることも判明した。

移動度が高くなれば、抵抗を下げて損失を低減できるため、素子の高速化と小型化が実現する。この技術を応用すれば、電気自動車やドローンなどで利用できる低損失で小型の電力変換装置や、携帯電話基地局や人工衛星などで利用できる高出力高周波増幅器などの実現が期待されるという。

国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）は、10月11日、固体中のイオンの移動とイオン間の相互作用を利用して動作する人工視覚イオニクス素子の開発を発表した。人間の網膜の神経細胞を模したもので、明暗、色、形の境界線を強調して感じることができる機能（側抑制）を、ハードウェアのアナログ信号処理だけで再現することに成功した。

近年、人間の知覚原理を応用したセンサーのやアナログ情報処理システムの研究が進められているが、これまではソフトウェアで高度な処理を行うものが多く、専用の処理モジュールや複雑な回路が必要となり、システムのサイズも消費電力も大きくなる傾向にある。

人間の目は、網膜で捉えた光の信号を脳内に伝え、さまざまな処理が行われることによって物を見ることができる。網膜には、外から入ってきた視覚情報の中の光のコントラスト、色、動きなどを、神経細胞間の高度な相互作用により認識、識別する細胞が埋め込まれている。NIMSは、この相互作用をハードウェアだけで再現できれば、ソフトウェア処理に伴う大規模なプログラミングや回路を必要とせず、小型で省電力な人工知覚システムができると考えた。そうして人工視覚イオニクス素子が生まれた。

この研究では、人工視覚イオニクス素子が明暗のコントラストによる輪郭の抽出、つまり「明暗の錯視」を模倣できることを実証したが、人の目には、傾き、大きさ、色、動きなどによる錯視もある。この素子には、これらの錯視も模倣できる可能性があり、NIMSでは、集積化や受光回路などと統合することにより、さらに人間の網膜に近い機能を持った資格センシングシステムの開発を目指すという。