2023 Fiscal Year Annual Research Report
Time-spacial multiscale operand measurements of potential distribution in all solid-state electrochemical devices
| Project/Area Number |
21H02036
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
雨澤 浩史 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90263136)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 崇司 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (20643232)
木村 勇太 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60774081)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 全固体電気化学デバイス / 化学ポテンシャル / オペランド計測 / 位置分解 / 時間分解 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，固体イオン伝導体を電解質に用いる全固体電気化学デバイスにおいて，反応およびイオン輸送の駆動力であり，またデバイス構成材料の化学安定性を決定する主要因でもある「可動化学種の化学ポテンシャル」の位置分布およびその経時変化を，デバイス作動下で把握することを目的とした。可動化学種の化学ポテンシャルの位置分布およびその経時変化を，デバイス作動下で実験的に評価する手法はこれまでに確立されていなかった。そこで本研究ではまず，申請者等によって独自に提案・開発されたポテンシャルプローブ技術とオペランド計測技術を併用することで，全固体電気化学デバイスにおける化学ポテンシャルを位置分解かつ時分解で実験的に評価できる手法を確立した。また，確立された評価手法を，固体酸化物セル（SOC）に代表される，全固体電気化学デバイスに適用した。例えば，電解質に酸化物イオン伝導性のイットリア安定化ジルコニアを用い，そこにプローブイオンを少量添加し，このプローブイオンの局所的な化学状態変化をマイクロX線吸収微細構造測定より調べることで，酸素化学ポテンシャル分布をオペランド評価した。これにより，作動下のSOC電解質における酸素化学ポテンシャル分布ならびにその経時変化を実験的に評価することに成功した。同様の手法は，SOC以外の全固体電気化学デバイスにも適用可能な汎用的手法である。また，数値シミュレーションの結果と比較することで，SOC電解質における酸素化学ポテンシャル分布およびその経時変化が，電解質におけるイオンと電子の両極性拡散ならびに局所平衡を仮定することで，定量的に説明できることを明らかにした。以上の成果は，全固体電気化学デバイスの電解質におけるわずかな電子伝導が，電解質における可動化学種の化学ポテンシャル分布および変化に大きな影響を及ぼすことを明確に示した初めての例である。
|
| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
|
