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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H02036/
• 关键词: 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

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。

This study aims to improve the performance and durability of all solid state electrochemical materials used in solid state conductors and electrolytes, and to determine the chemical stability of materials mainly due to the location and time distribution of mobile chemical species. The method for evaluating the chemical composition of mobile species is established. In this study, the applicant independently proposed, developed, and combined measurement techniques for all-solid-state electrical chemistry. In 2002, the evaluation method of chemical composition distribution for X-ray absorption microstructure (XAFS) measurement was established, which is suitable for solid acid fuel cells (SOFC). The electrolyte is stable, the electrode is porous, and the electrolyte is chemically stable. The electrolyte of SOFC under operation is evaluated by the chemical composition and distribution of SOFC. In the previous year, the evaluation of the steady state was carried out, and in the current year, the evaluation of the high speed of the method (high time decomposition energy) was carried out, and the operating conditions were changed. Electrolyte acidity and electron polarity are determined. Electrolyte acidity and electron polarity are determined. The results were compared and the results were consistent. This is a clear indication of the effects of the electrolyte on the electronic conductivity of the electrolyte, the chemical distribution of the mobile chemical species of the electrolyte, and the initial results.

项目成果

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

• 发表时间: 2021
• 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？

• 发表时间: 2022
• 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

• 发表时间: 2021
• 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

• 发表时间: 2021
• 期刊: Electrochemical Society Transaction
• 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

• 发表时间: 2022
• 作者: Koji Amezawa;Katsuya Nishidate;Zhuo Diao;Teruki Yoshioka;Yuta Kimura;Takashi Nakamura;Keiji Yashiro;Tatsuya Kawada
• 通讯作者: Tatsuya Kawada