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2023 年度 実績報告書

全固体電気化学デバイスのポテンシャル分布時空間マルチスケールオペランド計測

研究課題

研究課題/領域番号 21H02036
研究機関東北大学

研究代表者

雨澤 浩史  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90263136)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード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
研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (11件) (うち招待講演 4件)

  • [国際共同研究] University of Oslo/SINTEF(ノルウェー)

    • 国名
      ノルウェー
    • 外国機関名
      University of Oslo/SINTEF
  • [雑誌論文] Investigation on Reaction Mechanism in an SOFC Composite Cathode by Using Patterned Thin Film Electrodes2023

    • 著者名/発表者名
      Zhuo Diao, Takaaki Imaizumi, Keita Mizuno, Yuta Kimura, Takashi Nakamura, Keiji Yashiro, Fumitada Iguchi,Tatsuya Kawada, Koji Amezawa
    • 雑誌名

      Electrochemical Society Transactions

      巻: 111 ページ: 1145-1152

    • 査読あり
  • [学会発表] PCFC空気極反応を理解するために考えるべきこと2023

    • 著者名/発表者名
      雨澤 浩史
    • 学会等名
      固体化学の新しい指針を探る研究会 第90回定例研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] デバイス開発のための高度オペランド放射光計測技術2023

    • 著者名/発表者名
      雨澤 浩史
    • 学会等名
      水素科学技術連携研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 電気化学デバイスの高度オペランドXAFS計測 ~何が分かるのか?どう役立つのか?~2023

    • 著者名/発表者名
      雨澤 浩史
    • 学会等名
      2023年度電気化学会九州支部シンポジウム(第62回工業物理化学講習会)
    • 招待講演
  • [学会発表] 非破壊解析研究会の活動と最近の研究成果2023

    • 著者名/発表者名
      雨澤 浩史, 内本喜晴, 木村勇太
    • 学会等名
      SPring-8 シンポジウム 2023
  • [学会発表] Wagner理論に基づく安定性と低抵抗を両立した全固体電池電極/電解質コー ト層の設計指針の提案2023

    • 著者名/発表者名
      木村 勇太, 藤崎 貴也, 中村 崇司, 入山 恭寿, 雨澤 浩史
    • 学会等名
      第49回 固体イオニクス討論会
  • [学会発表] パターン緻密膜モデル電極によるPCFC空気極PrNi0.5Co0.5O3-δの反応機構の解明2023

    • 著者名/発表者名
      矢野 裕太郎, Diao Zhuo, 木村勇太, 中村崇司, 八代圭司, 川田達也, 雨澤 浩史
    • 学会等名
      第32回 SOFC研究発表会
  • [学会発表] Synchrotron Radiation Diagnosis of Batteries2023

    • 著者名/発表者名
      Koji Amezawa
    • 学会等名
      ICBIR2023
    • 招待講演
  • [学会発表] Investigation on Reaction Mechanism in an SOFC Composite Cathode by Using Patterned Thin Film Electrodes2023

    • 著者名/発表者名
      Zhuo Diao, Takaaki Imaizumi, Keita Mizuno, Yuta Kimura, Takashi Nakamura, Keiji Yashiro, Fumitada Iguchi,Tatsuya Kawada, Koji Amezawa
    • 学会等名
      243rd ECS Meeting
  • [学会発表] Thermodynamic Consideration on Interfacial Stability in All Solid-State Batteries2023

    • 著者名/発表者名
      Koji AMEZAWA
    • 学会等名
      ICMAT 2023
  • [学会発表] Direct Observation of Chemical Potential Distribution in Solid State Ionics Devices by Using Operando XAFS2023

    • 著者名/発表者名
      K. Amezawa, M. Yanagi, Y. Kimura, T. Nakamura, H. Katsui, K. Nitta, O. Sekizawa, T. Kawada
    • 学会等名
      Petite XII : An International Workshop on the Defect-Chemical Nature of Solids
  • [学会発表] Composite Effects on PCFC/EC Air Electrode Investigated by Using Patterned Thin Film Model Electrodes2023

    • 著者名/発表者名
      Koji Amezawa, Zhu Diao, Katsuya Nishidate, Takaaki Imaizumi, Yuta Kimura, Takashi Nakamura, Keiji Yashiro, Tatsuya Kawada
    • 学会等名
      The 21st International Conference on Solid-State Protonic Conductors (SSPC-21)

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公開日: 2024-12-25  

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