アルミニウムイオンを伝導種とする新規な実用型固体電解質の開発とその応用

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本研究では、伝導イオン種に3価イオンの中で最も原料が安価で、かつ人体や環境にも無害なアルミニウムイオンを選択し、様々な電気化学デバイス材料として実用可能なアルミニウムイオン伝導体の開発を目指した。また、アルミニウムイオン以外の3価イオン種として、様々な3価の希土類イオンを伝導する新規な固体電解質を開発することも目的とした。申請者がこれまでに得た、実用的な高いイオン導電率を有するアルミニウムイオン伝導性固体電解質の開発コンセプトをもとに、電気化学デバイス材料として使用するのに十分高いイオン導電率及び、優れた耐熱性と機械的強度を併せ持つ3価のスカンジウムイオンを伝導する新規な固体電解質(Sc_xZr_<1-x>)_<4/(4-x)>Nb(PO_4)_3(B_2O_3添加)の開発に成功した。さらに申請者は、スカンジウムイオン以外にも様々な希土類イオンを伝導する固体電解質の開発を行った。その結果、これまで大きなイオン半径を有するため、純粋な希土類イオン伝導性固体電解質が得られていなかったネオジムイオンをはじめとする様々な軽希土イオンにおいても、実用レベルの高い導電率を有する純粋な3価イオン伝導体を得ることに成功した。さらに、一連の希土類イオンを伝導種とする固体電解質((R_<0.05>Zr_<0.95>)_<80/79>Nb(PO_4)_3(R=Sc,Y,La〜Lu))を開発し、それらのイオン伝導性及び耐熱性を調べた。その結果、いずれの固体電解質においても、実用的なイオン導電率ならびに優れた耐熱性を有することが明かとなった。さらに、それらのイオン導電率とその相対的なイオン伝導経路の大きさの関係を詳細に調べた結果、R=Dyの時に最もイオンが伝導しやすい環境が得られ、最大の導電率を示すことが明かとなった。