エピタキシャルフッ化物薄膜電池のモデル界面を活用したフッ素の輸送機構解明

利用外延氟化物薄膜电池模型界面阐明氟传输机制

基本信息

批准号：
22H01953
负责人：
清水亮太
金额：
$ 11.23万
依托单位：
The University of Tokyo (2023)Tokyo Institute of Technology (2022)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、全固体フッ化物イオン電池における電極・電解質材料内部やそれらの界面でのフッ素輸送機構のボトルネック解消に向け、薄膜技術を活用した全エピタキシャルモデル電池の作製と評価を目指している。2023年度は、不純物置換量も含めた任意組成のフッ化物成膜に対応できるエピタキシャル成膜技術の開発に取り組んだ。具体的には、予め原料ターゲットの組成制御が容易なスパッタ法に着目し、「ターゲット作製」「成膜時のフッ素欠損抑制」「エピタキシャル成長」のそれぞれの素過程の確立を行った。対象とした材料は、固体電解質のLa1-xBaxF3-xであり、所望の組成(x=0, 0.05, 0.10, 0.20)のLaF3とBaF2を秤量し、粉砕混合・圧粉成型によるスパッタ向けのターゲット作製が可能であることを見出した。フッ素欠損の抑制には、CF4ガスを成膜中に部分的に混合することが有効であることを確認した。これらの過程を踏まえた反応性スパッタ法により、CaF2(111)単結晶基板上にLa1-xBaxF3-x(x=0, 0.05, 0.10, 0.20)エピタキシャル薄膜の作製に成功した。なお、バルクにおいてはx=0.20ではタイソナイト型と蛍石型に相分離することが知られているが(固溶限界)、蛍石型のCaF2(111)基板上では、単一の蛍石型La0.80Ba0.20F2.8(111)エピタキシャル薄膜が得られ、エピタキシャル安定化の効果を示すことができた。これらのエピタキシャル薄膜のF-イオン伝導度を測定したところ、~10-5 Scm-1(@室温)を得た。これは、バルク材料と同等であり、全固体フッ化物電池への転用が十分可能である。このように、望みのフッ化物の原料ターゲットを容易に作製できること、十分なF-イオン伝導度を有するエピタキシャル薄膜が得られたことから、来年度への順調な進捗が期待できる結果である。

在这项研究中，我们的目标是使用薄膜技术创建和评估全外延模型电池，旨在消除全固态氟化物中电极和电解质材料及其界面内氟传输机制的瓶颈离子电池。 2023年度，我们致力于开发外延膜沉积技术，该技术可以支持任意成分（包括杂质取代量）的氟化物膜沉积。具体来说，我们以易于预先控制原料靶材成分的溅射法为中心，确立了“靶材的准备”、“成膜时氟空位的抑制”、“外延生长”的基本工序。 ”称取所需组成(x＝0、0.05、0.10、0.20)的固体电解质La1-xBaxF3-x，并通过粉碎、混合和粉末压制来制备溅射用靶材。发现可以做到这一点。我们确认，在成膜过程中部分混合CF4气体对于抑制氟空位是有效的。利用基于这些工艺的反应溅射，我们成功地在CaF2(111)单晶衬底上制备了La1-xBaxF3-x (x=0、0.05、0.10、0.20)外延薄膜。已知在本体中，在 x=0.20（固溶极限）时，相分离为 Tysonite 型和萤石型，但在萤石型 CaF2(111) 基材上，单一萤石型 A La0.80Ba0.20F2.8获得了(111)外延薄膜，可以证明外延稳定的效果。当测量这些外延薄膜的F离子电导率时，发现其为~10-5 Scm-1（在室温下）。这相当于块体材料，完全适用于全固态氟化物电池。通过这种方式，可以很容易地生产出所需的氟化物原料靶材，并获得具有足够F离子传导性的外延薄膜，因此我们可以期待明年的顺利进展。