Time-spacial multiscale operand measurements of potential distribution in all solid-state electrochemical devices

所有固态电化学装置中电位分布的时空多尺度操作数测量

基本信息

批准号：
21H02036
负责人：
雨澤浩史
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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を高性能化・高耐久性化するために，その中でイオン輸送の駆動力となり，また材料の化学安定性を決定する主要因ともなる「可動化学種の化学ポテンシャルの位置・時間分布」を把握することを目的とする。「可動化学種の化学ポテンシャルの位置・時間分布」を実験的に評価する手法はこれまでに確立されていない。そこで本研究では，申請者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分布を時分解マルチスケールで実験的に明らかにする。二年目である今年度は，前年度に確立された「オペランド放射光X線吸収微細構造（XAFS）測定による化学ポテンシャル分布の実験的評価手法」を，固体酸化物形燃料電池（SOFC）に適用した。モデル系として，電解質にイットリア安定化ジルコニア，電極に多孔質Ptを用い，電解質中には酸素化学ポテンシャルを検知するプローブイオンを少量添加した。このモデル系を用いることで，作動下のSOFC電解質における酸素化学ポテンシャル分布を実験的に評価した。前年度までは定常状態での評価が主であったが，今年度は手法の高速化（高時間分解能化）を図ることで，作動条件を変化させた際の分布の経時変化の評価にも成功した。また，電解質における酸化物イオンと電子の両極性拡散を仮定し，SOFC電解質における酸素化学ポテンシャル分布およびその変化を数値シミュレーションした。シミュレーションと実験で結果を比較したところ，両者は定量的に良い一致を見た。これは，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・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実験結果である。

在这项研究中，这项研究的目的是提高使用固体离子导体作为电解质的所有固体电化学设备的性能和耐用性，并了解“移动化学物种的化学物质的位置和时间分布”，这是离子运输的驱动力，并且也是确定材料化学稳定性的主要因素。尚无任何实验性评估“移动化学物种化学势的位置和时间分布”的确定方法。因此，在这项研究中，通过结合申请人和操作数测量技术提出和开发的潜在探针技术，我们将以时间分辨的多尺度基础在实验中阐明全稳态电化学设备中的化学电位分布。今年，第二年，我们通过测量在上一年建立的操作数辐射X射线吸收（XAFS）来应用“化学势分布的实验评估方法”，以应用于固体氧化物燃料电池（SOFC）。作为模型系统，将YTTRIA稳定的氧化锆用作电解质和多孔PT作为电极，并将检测到氧化学势的少量探针离子添加到电解质中。使用此模型系统，对工作SOFC电解质的氧化学势分布进行了实验评估。直到上一年，评估主要是在稳定状态下进行的，但是今年，通过提高方法的速度（更高的时间分辨率），我们还成功地评估了随着时间的推移而改变操作条件时的分布变化。此外，假定氧化物离子和电子在电解质中的双极扩散，并在数值上模拟了氧化学电位的分布及其在SOFC电解质中的变化。在模拟和实验之间比较结果时，两者发现了良好的定量一致性。这是第一个实验结果，清楚地表明，全固体电化学设备中电解质的轻微电子传导对电解质中移动化学物种的化学势分布和变化具有重大影响。

项目成果

期刊论文数量（44）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Evaluation of PCFC cathodic reaction by using patterned thin film model electrodes

使用图案化薄膜模型电极评估 PCFC 阴极反应

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
K. Amezawa;K. Nishidate;D. Zhuo;T. Yoshioka;Y. Kimura;T. Nakamura;Y.Mikami;T. Kuroha;F. Iguchi;K. Yashiro;T. Kawada
通讯作者：
T. Kawada

全固体電池の電極／電解質界面をどう考えるか？　～固体イオニクスの観点からの提言～

我们应该如何看待全固态电池中的电极/电解质界面？

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
中西貴之;角野裕貴;北川裕一;樋口幹雄;竹村翔太;高橋向星;武田隆史;長谷川靖哉;廣崎尚登;雨澤浩史
通讯作者：
雨澤浩史

Contribution of Triple/Double Phase Boundary Reactions in Mixed Conducting Oxide Cathodes in SOFCs and PCFCs

SOFC 和 PCFC 中混合导电氧化物阴极中三/双相边界反应的贡献

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Koji Amezawa;Keita Mizuno;Katsuya Nishidate;Yuta Kimura;Takashi Nakamura ;Ragnar Strandbakke;Iga Szpunar;Yuichi Mikami;Tomohiro Kuroha;Keiji Yashiro ;Fumitada Iguchi;Tatsuya Kawada
通讯作者：
Tatsuya Kawada

Evaluation of Reaction Mechanism of PCFC Composite Cathodes by Utilizing Patterned Thin Film Model Electrodes

利用图案化薄膜模型电极评估 PCFC 复合阴极的反应机理

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
Electrochemical Society Transaction
影响因子：
0
作者：
Zhuo Diao;Katsuya Nishidate1;Takaaki Imaizumi;Yuta Kimura;Takashi Nakamura;Yuichi Mikami;Tomohiro Kuroha;Keiji Yashiro;Tatsuya Kawada and Koji Amezawa
通讯作者：
Tatsuya Kawada and Koji Amezawa

Mechanism of Cathodic Reaction in Proton-Conducting Ceramic Fuel Cells Investigated By Patterned Model Electrodes

通过图案化模型电极研究质子传导陶瓷燃料电池中的阴极反应机理

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Koji Amezawa;Katsuya Nishidate;Zhuo Diao;Teruki Yoshioka;Yuta Kimura;Takashi Nakamura;Keiji Yashiro;Tatsuya Kawada
通讯作者：
Tatsuya Kawada