メカノエレクトロケミストリーに基づく弾性波によるイオン輸送促進とデバイス開発

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K13657
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 井口 史匡 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00361113)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 弾性波 / YSZ / イオン輸送

Outline of Annual Research Achievements

高温固体電解質においてイオン輸送は，空格子点や欠陥サイトを介したホッピングにより行われる。セラミックスからなる固体電解質は陰陽の両イオンから構成され，複雑な結晶構造を持つことから，イオン輸送の易動度は結晶構造，その局所的な歪，内部の空間的な自由度（自由体積）に強く影響される。本研究では超音波領域の弾性波を用い，固体電解質に弾性波の進行に伴う歪を導入し，局所的な易動度の分布を生じさせ，イオン輸送を促進することを目的とする。
平成28年度の目的は，固体電解質へ応力換算で数十MPa程度の有意な大きさの弾性波を導入することであった。しかし，既有の超音波発信機を用い高周波用ひずみゲージを用いて物体内部の弾性波により生じるひずみを評価したところ，物体内に導入されている歪は期待される値より数桁低かった。
既有の超音波発信機は探傷用であり，反射波の防止などのため発信出力がある程度抑えられていることが予測されるため，導入される歪が小さいことは申請書に記載したように想定の範囲であった。そこで圧電アクチュエータを用い物体に直接振動を加えることとした。その結果，想定した通りの数十MPaに相当する弾性波を導入することができた。また，電気炉などと組み合わせ，常温から800℃程度まで弾性波を導入した状態において電気的特性を評価できる実験装置の構築を行った。
次年度より，これらの実験装置を用い，弾性波が固体電解質の導電特性に与える影響について評価していく予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は数十MPaに匹敵する弾性波の導入を可能にすることを主目的としていたが，圧電アクチュエータを直接物体に張り付けることで達成可能であることを明らかにできたため。

Strategy for Future Research Activity

実験装置の構築は終了したため，次年度においては実際に弾性波がイオン輸送に与える影響について評価を行っていく。申請段階では固体電解質の大型試料を想定していたが，想定より加工の難易度が高く，本申請の予算範囲内では購入できないことがわかったため，対象試料として導波管となる石英の細板上に固体電解質を成膜し，それに弾性波を導入し評価することを予定している。