2018 年度研究成果報告書

固体電解質における高濃度固溶状態での欠陥構造とイオンダイナミクスに関する理論計算

研究課題

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研究課題/領域番号	16K06739
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
研究分野	無機材料・物性
研究機関	一般財団法人ファインセラミックスセンター
研究代表者	桑原彰秀一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主任研究員 (30378799)
研究協力者	森分博紀フィッシャークレイグ設楽一希
研究期間 (年度)	2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード	第一原理計算 / プロトン伝導体 / 点欠陥 / 拡散
研究成果の概要	プロトン導電性固体酸化物燃料電池の固体電解質として実用化が期待されるBaZrO3はプロトン伝導率の一層の向上が求められている。プロトン伝導率の低下の要因の一つとして添加元素近傍でプロトンが捕獲されてしまう会合現象がある。会合状態を明らかにするため、添加元素と酸素空孔、添加元素とプロトンの配置を系統的に変えた構造モデル群に対して第一原理計算を網羅的に実行し、配置とエネルギーの関係を解析することで会合エネルギーを評価した。高濃度固溶体モデルに対する計算から、添加元素の配置によって会合エネルギーを制御することが可能であることが確認された。
自由記述の分野	第一原理計算を用いた無機材料の物性解析
研究成果の学術的意義や社会的意義	三体以上の欠陥を含んだ配置の異なる構造モデル群に対する網羅的な第一原理計算を実行することで、現実の固溶体で起こっている欠陥同士の相互作用を取り込んだエネルギー状態の定量評価を実施することができた。添加元素の固溶状態を変化させることで、会合の要因となるドーパント濃度が増大しても会合エネルギーが増大しない固溶状態が存在することが発見された。固溶状態を制御することでプロトンのトラップ現象を制御できる可能性が示されたことは、BaZrO3の材料設計において重要な成果である。