2018 Fiscal Year Research-status Report
Ionic Conduction Analysis across Single Grain Boundary
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18K04708
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
山田 博俊 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (10359961)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | イオン伝導体 / 粒界 / 単一粒界 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムイオン伝導体として，大気中での取り扱いが可能なNASICON型Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)，および，ガーネット型固体電解質を選択した。固相法および錯体重合法により粒子サイズが数100 nm～数10 μmの，不純物がほとんどない試料を得た。固相焼結法および通電焼結法により焼結体を作製し，粒界の局所構造を精査した。また，焼結体に金電極をつけ，バルクでのイオン導電性の評価をそれぞれ行った。得られた焼結体の焼結密度は80%～95%であり，焼結体の結晶粒のサイズは数100 nm～数10 μmであった。イオン導電率は結晶粒径に対する依存性を示さず，焼結密度との間に強い相関がみられた。焼結密度が20%低下すると，イオン導電率は約1桁減少した。この原因を探るため，粒界近傍の構造をSTEM-EDS分析により精査した。不純物層の存在や元素の偏析は確認されず，粒界でのクラックが多くみられた。この粒界の割れの原因として，結晶構造由来のものと，焼結プロセス由来のものが考えられた。すなわち，結晶構造については，LATPは菱面体晶系で，温度に対する線膨張係数が結晶軸に対して異方性を示すため，粒界に大きなひずみが発生することで，割れが生じると考えられる。一方，通電焼結法で作製する試料は，粒界に大きなひずみが生じることで，割れが生じたと考えられる。これらの結果を確認するため，今後は単一粒界のイオン導電性測定を進める。
また，単一粒界での測定を行うために，光学系および測定系の整備を行った。光学系および測定系の分解能の関係から，焼結体の粒子サイズをさらに大きくする必要があり，100 μm程度の粒成長を実現するために，粒子のフラックス成長を試みる。
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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
リチウムイオン伝導体として，大気中での取り扱いが可能なNASICON型Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)およびガーネット型固体電解質を選択した。固相法および錯体重合法により粒子を作製した。固相法では粒径10～30 μmの比較的大きな粒子を得た。またこれらの粒子を遊星型ボールミルで粉砕することにより，粒径約1～5 μmの粒子を得た。一方，錯体重合法では，粒径約100～200 nmの粒子を得た。X線回折により，これらの試料はいずれも不純物が少ないことを確認した。これらの粒子を用いて，それぞれ固相焼結法，通電焼結法により焼結体を作製した。得られた焼結体の粒界の局所構造をSEMおよびSTEM-EDSにより分析した。
一方，バルクのイオン導電率は，ペレット両面に金電極を形成し，交流インピーダンスを測定して求めた。局所構造とイオン導電率の相関を調べた。
また，単一粒界のイオン導電率の測定に向け，デジタルマイクロスコープ一式および電極作製用のマスクを導入し，評価を始めた。
以上，当初の予定通り計画が進んでいるため，おおむね順調に進展している，と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点では，固体電解質の粒径が30 μm程度であるため，単一の粒上に電極を形成することや，マイクロスコープの観察下で作業することが困難である。粒径を50～100 μm程度に大きくし，精度が高い分析を可能とする必要がある。このため，粒成長を促進するために，フラックスを導入したり，長時間の熱処理を行う。また，併せて，より微小な粒界での観察を可能にするため，SEMでのマニピュレータの導入を進める。
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