強酸化性雰囲気におけるプロセッシングによるプロトン伝導性酸化物の粒界抵抗制御

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K18232
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 三好 正悟 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主任研究員 (30398094)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: プロトン伝導 / セラミクス / 粒界抵抗 / 空間電荷層 / 燃料電池 / リチウムイオン伝道 / 全固体二次電池

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，プロトンなどのイオン欠陥種を伝導キャリアとする酸化物多結晶体における粒界輸送抵抗について，その原因が粒界コア正電荷に由来する粒界近傍のキャリア欠乏層であるとする空間電荷モデルの立場から，多結晶体作製プロセスの最適化により粒界抵抗
の低減を実現することを目的としている．
本年度は，Ba(Zr,Y)O3系プロトン伝導性酸化物と同様に粒界抵抗が粒内抵抗に比べて著しく高く，かつ粒界抵抗が同様のメカニズムにより生じると推測されるリチウムイオン伝導性酸化物ついても同一技術課題の解決が強く求められる材料系と位置付け，強酸化焼結実験の検討を行った．具体的には，ペロブスカイト型構造を有するLi0.33La0.55TiO3（LLT）を対象とし，ベルト型高温高圧装置を用いた高圧焼成実験について，試料容器や保持温度・圧力，および温度・圧力の昇降速度などの条件最適化を行った．当初の条件では，得られる焼結体に多くのクラックが入ること，試料と容器の間で固相関反応が認められ第二相が生成することが明らかとなり，これらを解消するための条件検討を行った．その結果，目的相（LLT）のほぼ単一相から構成され，イオン伝導性の評価に用いることが可能なサイズの緻密な焼結体を得ることが可能となった．また，高圧焼成実験において強酸化性環境を実現するための酸化剤の選定や容器封入についても予備実験を行い，高圧酸素の発生や気密性保持の目処をつけた．以上により，強酸化焼結実験の条件を整えた．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度は強酸化焼結実験のための条件最適化を進めたが，強酸化焼結により得た焼結体のイオン伝導特性評価には至らなかった．これは，現在の研究環境で安定に取り扱いが可能な材料系としてTi系ペロブスカイト酸化物を対象として取り組んだが，機械的強度が不十分であるためにクラックの無い焼結体として得ることが容易でなく，さらに試料容器との固体間反応も認められたため，これらを解析するとともに解消するための条件最適化に時間を費やしたためである．これまでの検討によりこれらの問題を解消する見込みが得られたため，翌年度に強酸化焼結を行い，イオン伝導度への影響を明らかにしていく．

Strategy for Future Research Activity

これまでに行った高温高圧実験における条件最適化の結果を踏まえ，今後はリチウムイオン伝導性酸化物について強酸化焼結実験を進めるとともに基礎特性および多結晶体作製プロセスが伝導特性に及ぼす影響を評価する．リチウムイオン伝導性酸化物については，平成30年度より代表者が二次電池材料を扱うグループに異動することに伴い，関連研究に従事する研究者と連携して情報交換や実験の効率化を行い，研究の加速を図る．以上により,イオン伝導性セラミクスのプロセス最適化による粒界抵抗低減のための基礎となる指針を得るべく研究を推進する．

Causes of Carryover

（理由）
予定した消耗品費において強酸化焼結実験に用いる貴金属類やヒーターなどの支出が大きい割合を占めるが，本年度においてはこれらの消耗品は連携するグループの保有するものを利用した．このことが次年度使用額が生じた主な原因である．
（使用計画）
次年度使用額は強酸化焼結実験に用いる消耗品類を代表者が準備するために使用し，また翌年度分については当初計画通り消耗品類一般や成果発表のための旅費などに使用する．