2021 Fiscal Year Research-status Report
量子ビーム散乱と計算シミュレーションを併用した燃料電池材料の局所構造乱れの解明
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19K05070
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
井川 直樹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (60354833)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
樹神 克明 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (10313115)
飯久保 智 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (40414594)
田口 富嗣 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員 (50354832)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 局所構造解析 / 中性子回折法 / 第一原理計算 / 水素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃料電池の出力密度向上、耐久性向上、高信頼性といった性能や小型化、低コスト化など利便性向上が求められている。そのためには、電池を構成しているイオン伝導性固体電解質材料の更なる高度化を目指した材料開発が必須であり、材料の構造変化やキャリアイオンの挙動を解明することが重要になってきている。本課題では、X線や中性子線などの量子ビームによる結晶構造解析手法と第一原理計算手法を組み合わせることで、固体電解質材料の局所構造乱れと水素の伝導経路を解明することを目的とする。
令和3年度は、軽水素に比べて非干渉性散乱が少ないため、より精度の高い構造解析が可能な重水素を導入したBaSc0.5Sn0.5O2.75およびBaY0.25Sn0.75O2.875固体電解質の中性子回折データを用いて、中性子結晶PDF解析を実施した結果、局所的な酸素-水素間の距離は、それぞれ0.96 Å、0.97 Åであることを見出した。これを基に、Rietveld法/最大エントロピー法解析によって平均構造中での水素の伝導経路を可視化できた。
また、第一原理計算シミュレーションでは、水素導入前の固体電解質材料の骨格をなす、Ba、Sn、Y、Scおよび酸素の位置をシミュレーション解析し、その結果、中性子回折・構造解析結果にて得られた結晶構造をほぼ再現することが可能となった。これらの結果を基に水素の導入によって生じた局所構造乱れや、それによる水素の位置と伝導経路の変化を評価するためのシミュレーションを開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウイルス感染症の影響によって、一定期間キャンパスが封鎖されたため、十分な実験・解析やシミュレーションを実施することができなかった。また、出席を予定していた学会等がオンライン開催となり、必要な情報収集や研究者との意見交換・討論が一部実施できなかったため。
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| Strategy for Future Research Activity |
中性子回折法から、Rietveld/最大エントロピー法解析さらに結晶PDF法によって、固体電解質材料中の水素の状態や局所構造を解析し、さらに、第一原理計算によって、水素の配位状態や伝導経路、また、水素の導入による材料の局所構造の変化を総括する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の影響によってキャンパスが一定期間封鎖され、十分な実験やシミュレーションを実施することができなかった。また、出席を予定していた様々な学会がオンライン開催となり、本課題の実施に必要な情報収集や研究者との意見交換が一部実施できなかったため。
令和４年度に実施が予定されている学会等に参加して情報収集や意見交換討論、また、計算シミュレーション実験に参加するため旅費等や追加の固体電解質合成実験や中性子散乱実験のために使用する。
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