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【ナレッジ】 イオン伝導体(固体電解質)

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説明
イオン伝導固体電解質

 電解質溶液固体電解質
 電解質水などの溶媒溶けて溶液がイオン伝導示す物質これ溶かした溶液が電解質溶液
  食塩水電極入れ電池つなぐと電流が流れる
    これはNaCl-イオン移動するためである
    イオン伝導
  身近な電解質溶液
   NH4Cl乾電池希硫酸自動車テリーなど

 固体電解質電解質溶液固体定義注意
  (NaClは電解質であるがNaClの固体
   イオン伝導示さないしたがって固体電解質
   ない)
   固体内部イオン動けるようなもの
 固体電解質般的性質
  ①もともとの結晶構造の中にイオン通れるような隙間があること特殊な結晶構造もったもの
  ②動けるイオン+1価の陽イオンまたはO2-かF-である(それ以外のイオン動く例はまだ知られ
   いない)
  ③温度が高いときにだけイオンスムーズ動ける(低温ではイオン移動必要な熱エネルギー
   不足しがち)

 O2イオン伝導体とその応用
  O2イオン伝導体は自動車エンジン供給する燃料空気混合ガス比率など検知する「酸素
   濃度センサー」や高効率次世代発電システムして期待されている固体電解質燃料電池発電
   素子など様々な応用があるO2イオン伝導体には様々な物質があるが本講義では中でも代表的
   安定化ジルコニア取り上げる
 安定化ジルコニア組成酸化ジルコニウム(ZrO2)
   CaOまたはY2O3数%固溶したもの)
   構造螢石型構造右図から部分的にO2イオン
      抜けた構造
  O2イオン伝導するしくみ
   純粋なZrO2O2イオン伝導体ではないしかし
   これにCaO固溶させると下記のようは反応式に
   したがってO2イオン空孔きる
   これに電圧かけると正極方向O2イオン
   移動する空孔反対側に動く
        VOはO2-空孔
   確認イオンイオン空孔数はいくらかまた電荷の中性は保たれているか?
  注意ZrとCaはそれぞれ+4+2価の酸化状態しか取ろうとしないので先週まで話した「原子価制
     御」が起こらない従って単に陽イオン対する不足分だけO2イオン空孔きる







   O2イオン伝導作る目的ではCa/(Zr+Ca)0.150.20程度までCaO固溶させる
   室温ほどんどO2-は動けないが温度上昇伴って導電率が上がり1000℃では1Sm-1程度
    導電率示す


   安定化ジルコニア発見経緯補足
  純粋なZrO2融点2670℃と高く化学的にも安定なので耐火レンガなどの用途には最適であるしかしZrO2結晶構造理想的な螢石型構造ではなく室温(Zr4イオン0.98Åと小さすぎるために)やや歪んでいる単斜晶これは1100℃以上では正方晶になり2400℃以上ではじめて立方晶の理想的な螢石型構造になる従って純粋なZrO2加熱冷却すると単斜晶⇔正方晶⇔立方晶の移り変わりの時に体積が急激に変化するために自分自身でぼろぼろに壊れてしまうという欠点があった