イオン伝導度NMR同時計測システムの開発と固体電解質への適用

同步离子电导核磁共振测量系统的开发及其在固体电解质中的应用

基本信息

批准号：
21655066
负责人：
河村純一
金额：
$ 2.05万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2010
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21655066/
关键词：
NMR リチウム電池燃料電池固体電解質イオン伝導

项目摘要

本研究では、イオン伝導体に対する新たな計測技術として、核磁気共鳴(NMR)とイオン伝導度を同時に測定するシステムを開発することを目的としている。そのためには、NMR装置内に設置した電気化学セルに対して、電圧・電流印可装置をつなぎ、インピーダンス測定とNMR信号検出を同時に行なえる装置を構築し、固体・液体中でのイオンダイナミクスを同時に精密に測定する技術の開発を目指している(1)昨年度までに開発した、インピーダンス計測用の電極とNMRコイルとの相互干渉の低減、光ファイバ温度計によるin situ温度計測などの技術を更に改良し、イオン伝導度とNMR測定を同一試料・同一温度条件下で測定する技術をほぼ完成した。これにより、精度・信頼性・再現性において格段に優れたデータが得られる事を確認できた。(2)この技術を用いて、LiI-H2O・トレハロース系の過冷却液体に対して適用し、100℃～-70℃の温度範囲でプロトンとリチウムイオンの拡散係数を分離測定し、同時にインピーダンス法によりリチウムイオン伝導度を測定した。その結果から、この系のイオン伝導度はリチウムイオン伝導が支配的であり、水分子と強く結合して移動している事。トレハロースの添加により、水分子との結合からデカップルされたリチウムイオンが生成する事が明らかになった。(3)またプロトン伝導性高分子電解質に対し、電極配置下でのNMR・MRI測定を行い、複数のプロトン種の存在とそれらの導電率への寄与を分離できる事が明らかになった。(3)これらの技術をリチウム電池の有機電解液にも適用し、充放電時のMRI画像取得やin situでのNMR測定技術を開発した。以上の結果は、2編の学術論文ならびに日本物理学会年会、固体イオニクス討論会、およびアジア固体イオニクス国際会議(武漢)等において発表された。

这项研究旨在开发一种同时测量核磁共振（NMR）和离子电导率的系统，作为离子导体的新测量技术。 To do this, we have built a device that can simultaneously measure impedance and NMR signal by connecting voltage and current application devices to electrochemical cells installed inside the NMR device, and aimed to develop a technology that simultaneously measures ion dynamics in solids and liquids (1) We have further improved the technologies developed up to last year, such as reducing mutual interference between electrodes for impedance measurement and NMR线圈，以及使用光纤温度计的原位温度测量，几乎完成了在相同样品和温度条件下测量离子电导率和NMR测量的技术。这证实了具有极好的准确性，可靠性和可重复性的数据。（2）使用此技术，在100°C至-70°C的温度范围内分别测量了质子和锂离子的扩散系数，并通过阻抗法同时测量锂离子。结果表明，锂离子电导率在该系统中是主要的，并且与水分子和迁移密切相关。已经揭示了海藻糖的添加会产生与水分子键合成的脱钩离子。（3）也已经揭示了可以在电极排列下进行质子传导聚合物电解质的NMR和MRI测量值，并且可以分离出多种质子物种及其对电导率的贡献。（3）这些技术还应用于锂电池的有机电解质，并在充电和放电和NMR测量技术原位开发了MRI图像。上述结果在两份学术论文以及日本物理学会，固态离子学讨论和亚洲固态离子学国际会议（武汉）的年度会议上介绍。