2017 Fiscal Year Annual Research Report
Interfacial ionic conduction enhanced by lattice distortion and randomly distributed anions
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15H02024
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長谷川 哲也 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10189532)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 界面イオン伝導 / 格子歪 / 酸素欠損 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体酸化物系燃料電池に用いられる電解質 (ZrO2)1-x (Y2O3)x （YSZ）は高い動作温度を必要とし、低温でも十分なイオン伝導性を有する材料の開発が望まれている。近年、YSZ/SrTiO3多層薄膜界面における巨大イオン伝導性が報告され注目を集めている。平成27年度は立方晶ZrO2相中の酸素イオンの導電性に対するドーパント、酸素欠損量、エピタキシャル歪みの影響を系統的に検討するため、ab initio MDを行った。平成28年度は、さらにアニオン（窒素およびフッ素）ドープによる効果を検証した。その結果、酸素欠損、格子歪およびアニオンを導入することで酸素の拡散係数が大幅に増大することを突き止めた。また、酸素の副格子の振る舞いが重要であり、副格子構造が出現し、これが反転すると同時に酸素が拡散した。アニオンは同副格子を不安定化させる要因と解釈できる。
平成29年度は、La2NiO4およびLi3xLa2/3-xTiO3に対しても計算を進めた。La2NiO4では酸素サイトが2種類あり、どのサイト通して拡散が起こるかを明らかにするとともに、アニオンによる効果を理論的に解明することを目標とした。その結果、岩塩ブロックが酸素の拡散パスであり、窒素あるいはフッ素をドープすると拡散係数は増大することがわかった。Li3xLa2/3-xTiO3では、特に格子歪の効果に注目した。Laが均一に分布している場合には、引っ張り歪を加えることでリチウムの拡散係数は増加したが、、面内に異方的な歪を仮定するとLa濃度に分布が生じ、その結果、特定の方向への拡散係数が特に増大した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度には、次に、燃料電池としての応用が期待されているアニオンドープLa2NiO4およびリチウムイオン伝導体であるLi3xLa2/3-xTiO3に注目し、MD計算を行った。
La2NiO4系では、アニオンの配置に関わらず、酸素イオンは主に岩塩ブロックを拡散することを確認した。窒素はNiO6八面体の頂点位置を占める傾向にあり、その結果、窒素の拡散係数は酸素やフッ素に比べ小さかった。フッ素は最も大きな拡散係数を示し、これは岩塩ブロックをinterstitialcy機構でホッピングするためと解釈でき、拡散係数は大きな異方性を示した。また、酸素の拡散係数はアニオンドープにより向上した。この結果は、アニオンドープ系が高イオン導電体として有望であることを示唆する。
Li3xLa2/3-xTiO3では、格子歪の影響を系統的に調べた。その結果、面内に引っ張り歪を加えるとリチウムの拡散定数が増大し、実験結果を定性的に再現した。一方、Laの分布が拡散定数に大きな影響を及ぼすことが判明した。面内に異方的な歪（x軸方向に圧縮、y軸方向に引っ張り）を印加すると、La量の多い領域と少ない領域が出現した。高La量の領域はリチウムの拡散を阻害するため、x軸方向の拡散定数が最大となった。従って、La分布の制御もイオン導電性の向上に重要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
La2NiO4系に対しては、第一原理によるMD計算を実施しこれまでの計算結果を補強する。一方で、フッ素をドープした214系材料を合成し、計算と比較検討する。
計算に関しては、La-O-F系に注目する。同系では、組成に応用でイオン拡散種が酸素/フッ素間で変化することが知られており、その起源を計算により明らかにする。まずは最も基本的な物質であるLaOFを対象に計算を進める。LaOは様々な機能性酸化物材料にブロック層として含まれており、物性制御を目指し、トポタクティック手法によるフッ素導入も盛んに行われている。本研究でフッ素のイオン伝導性について知見が得られれば、フッ素含む酸化物の合成という立場からも重要な情報となる。続いて酸素/フッ素比を変化させ、イオン伝導がどのような影響を受けるかについて議論する。
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Research Products
(3 results)
