多価陽イオン伝導性一軸配向多結晶体の材料設計と開発
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19K22051
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
福田 功一郎 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90189944)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
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| Keywords | イオン伝導体 / イオン伝導 / 結晶配向セラミックス |
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| Outline of Research at the Start |
結晶中に存在する多価陽イオンは、周囲に存在する陰イオンとの静電的相互作用が強く、固体中を伝導することは一般に極めて困難である。さらに多価陽イオンの伝導性に優れる化合物は、高温下での構造安定性に乏しい傾向にある。今回、異方性の強い結晶構造中に存在する多価陽イオンは、ある特定の結晶学的な一次元方向であれば、骨格構造を安定に保ちつつ、その方向に比較的容易に伝導し得るのではないかと考えた。本研究では、多価陽イオンが一次元的に伝導可能な結晶構造型の候補を見出し、さらにその化合物の結晶粒子を応募者が確立した最新の粒子配向手法を用いて一軸配向化し、高イオン伝導性配向多結晶体の開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度に実施した研究で、多価陽イオンが高速伝導する無機化合物群を２グループ発見し、それらの広範囲な化学組成で固溶体を作製して、イオン伝導度の組成依存性を解明した。これらの化合物群に関して、特許出願を行なっており、知的財産権を確保済みである。イオン伝導度とイオン輸率の評価方法とその具体的な値を下記に記す。
イオン伝導度は、周波数を４Ｈｚ～５ＭＨzの範囲で、温度を４００℃～６５０℃までの５０℃刻みで、交流インピーダンス測定により決定した。測定データのナイキストプロットに対して等価回路を作成し、各温度におけるバルク抵抗値Ｒｂ（Ω）を求めた。さらにこれらの値をもとに、各温度におけるバルクイオン伝導度σｂ（Ｓｃｍ－1）を求めた。バルクイオン伝導度σｂの値は、４００℃では約１．７７×１０－６Ｓｃｍ－1であり６５０℃では約１．７４×１０－５Ｓｃｍ－1であり、温度の上昇にともない一様に増加した。また、イオン伝導の活性化エネルギーは０．６１ｅＶであった。この化合物に関して、全電気伝導度に対するイオン伝導度の比率であるイオン輸率を決定した。電気伝導体の全電気伝導度（σTotal）は次式で表される。
σＴotal ＝ (σｉ＋) ＋ (σｉ－) ＋ (σｅ) ＋ (σｈ)。ここで、(σｉ＋)は陽イオンの伝導度、(σｉ－)は陰イオンの伝導度、(σｅ)は電子伝導度、(σｈ)は正孔の伝導度である。したがって、イオン輸率ｔは次式で表される。
ｔ ＝ {（σｉ＋) ＋( σｉ－）}／σＴotal。電子と正孔の伝導度 {＝ (σｅ) ＋( σｈ)} の値は６００℃で約１．６３×１０－６Ｓｃｍ－1であり、バルクイオン伝導度σｂの値は６００℃で約１．５１×１０－５Ｓｃｍ－1であった。したがって、６００℃におけるイオン輸率ｔｉの値は約０．９０となり、当該化合物はほぼ純粋なイオン伝導体であった。
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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
従来報告されていた陽イオン伝導性の化合物とは全く異なる化学組成・結晶構造の新規化合物群を、２種類発見したこと。さらに、広範囲な化学組成で固溶体を作製して、イオン伝導度の組成依存性を解明することができた。令和元年度の研究計画を十分に達成していることから、おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
従来の結晶配向手法では、テンプレート粒子の準備が必要である、または特殊な装置が要求されるなど、複雑なプロセスが必要であった。今後、当研究室のオリジナルな結晶配向手法である「固相－固相反応拡散法」と「気相－固相反応拡散法」を駆使することで、それぞれの特長を生かした配向多結晶体の作製を行い、結晶構造と化学組成、微細組織を最適化することで、イオン伝導度のさらなる向上を目指したい。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
