イオン・電子伝導体-イオン伝導体界面のフェーズフィールドモデル

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電気化学プロセスに対するフェーズフィールドモデルを構築し、電子伝導体-イオン伝導体界面の安定性解析を行った。本年度は、従来のモデルにおいては簡略化されていた系の電流をNernst-Planck方程式により正しく記述することにより、電極/電解質の相間電位と両相間の化学ポテンシャル差を関係づけることができた。また、両相間に化学ポテンシャル差を与えた条件でフェーズフィールドモデルにより解析した相問電位はNernst式を満足することが示された。そこで、このモデルを用いて2次元平衡界面形状を解析した結果、界面曲率と相間電位差変化量の間で界面エネルギー異方性を考慮したGibbs-Thomsonの関係が成り立つことを確認した。また、相間電位差、異方性強さの変化による界面安定臨界波長を求め、その値が成長速度の平方根に反比例することを示した。さらに、モデル水溶液系における電析デンドライト成長の解析を行い、定常成長におけるデンドライト先端曲率半径が成長速度の-112乗に比例することを示した。また、この先端曲率半径は同条件で求めた界面安定臨界と線形関係にあり、凝固デンドライトと同様のスケーリング則を満足することを示した。また、本研究で開発したフェーズフィールドモデルの応用として、Ag/Ag2S系原子スイッチにおけるAg柱成長とスイッチング挙動の解析を行った。その結果、Ag/Ag2S界面でのAg+の還元反応に必要な過剰エネルギー(過電圧)を仮定することにより、電圧印可時のAg柱の一様な成長および電圧掃引によるスイッチング挙動を再現できることを示した。