JP2022136049A - Solid electrolyte, electrolyte layer, battery, and manufacturing method of solid electrolyte - Google Patents

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Masatomo Yashima
泰斗 村上
Yasuto Murakami
孝太郎 藤井
Kotaro Fujii
一暁 城島
Kazuaki Jojima
里穂 森川
Riho Morikawa
雄太 安井
Yuta Yasui
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Abstract

To provide a solid electrolyte which has high ion conductivity and which is stable in ion conductivity regardless of an ambient temperature or gas condition, an electrolyte layer and a battery, which are arranged by use thereof, and a manufacturing method of such a solid electrolyte.SOLUTION: A solid electrolyte, an electrolyte layer, a battery and a manufacturing method of a solid electrolyte are disclosed. The solid electrolyte comprises a particular compound. The compound is a compound represented by the following general formula (1): A5-xB1-yM4-zX16-w (1). [In the formula (1), A is a cation and the quantity x of defects of A is in a range of -4 to 4; B is a cation and the quantity y of defects of B is in a range of -0.5 to 0.5; M is a cation and the quantity z of defects of M is in a range of -2 to 2; X is an anion and the quantity w of defects of X is in a range of -3 to 3.]SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 〔1〕 発行日(公開日) 令和3年9月21日 刊行物 第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会 講演要旨集 公益社団法人 日本セラミックス協会 発行 <資 料> 講演要旨集 掲載研究論文 抜粋 〔2〕 開催日(公開日) 令和3年9月22日(会期:令和3年9月21日~22日) 集会名、開催場所 第37回日本セラミックス協会関東支部研究発表会 公益社団法人 日本セラミックス協会 関東支部 主催 ビデオ会議システム(Zoom)を用いたオンライン開催 <資 料> 研究発表会概要 ウェブページ <資 料> 研究発表会プログラム <資 料> オンラインポスター発表(ディスカッション)資料Patent Law Article 30, Paragraph 2 application has been filed [1] Date of publication (publication date) September 21, 2021 Publications The 37th The Ceramic Society of Japan Kanto Branch Research Presentation Abstract Collection Public Interest Incorporated Association The Ceramic Society of Japan Issued <Documents> Abstracts of Lectures Published research papers Excerpts [2] Date (release date) September 22, 2021 (Date: September 21-22, 2021) Meeting name, venue The 37th Research Presentation Meeting of the Ceramic Society of Japan Kanto Branch Public Interest Incorporated Association The Ceramic Society of Japan Kanto Branch Hosted online using video conferencing system (Zoom) Fee > Online poster presentation (discussion) materials

本発明は、燃料電池やセンサ等の固体電解質層に用いられる固体電解質、それを用いた電解質層、電池、及び固体電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte used in solid electrolyte layers of fuel cells, sensors, and the like, electrolyte layers and batteries using the solid electrolyte, and methods of manufacturing solid electrolytes.

各種の燃料電池は、次世代のクリーンエネルギー社会実現、環境問題解決のキーとして注目を集めている。燃料電池やセンサに用いることのできる物質としては、各種のイオン伝導体、例えば金属酸化物のプロトン伝導体や、酸化物イオン伝導体が知られている。 Various fuel cells are attracting attention as a key to realizing a next-generation clean energy society and solving environmental problems. Various ion conductors, such as metal oxide proton conductors and oxide ion conductors, are known as substances that can be used in fuel cells and sensors.

従来知られているイオン伝導体としては、酸化物イオン(O2-)伝導性セラミックスとしてイットリア安定化ジルコニア(ZrO-Y)(以下「YSZ」と記す)が知られている。YSZは固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」という)に利用することができ、SOFCは発電効率が特に高く、燃料の改質装置を必要とせず、長期安定性に優れる利点が知られている。 Yttria-stabilized zirconia (ZrO 2 —Y 2 O 3 ) (hereinafter referred to as “YSZ”) is known as a conventionally known ion conductor as oxide ion (O 2− ) conductive ceramics. YSZ can be used in solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFCs"), and SOFCs are known to have the advantages of particularly high power generation efficiency, no need for a fuel reformer, and excellent long-term stability. ing.

一方で、プロトン伝導体としては、BaZr0.8Y0.2O2.9など、化学置換をして酸素空孔を導入したペロブスカイト型酸化物が知られている。 On the other hand, as proton conductors, perovskite-type oxides in which oxygen vacancies are introduced by chemical substitution, such as BaZr0.8Y0.2O2.9, are known.

特許文献1には、陰イオン、陽イオン、プロトン、電子および正孔からなる群より選ばれた少なくとも1種のキャリアが伝導可能な結晶性無機化合物が開示されている。電気伝導度の高い化合物、例えば酸化物イオン(O2-)やプロトン(H)などのイオンを伝導する高いイオン伝導度を示す化合物は、燃料電池等の固体電解質に用いることができる。 Patent Document 1 discloses a crystalline inorganic compound in which at least one carrier selected from the group consisting of anions, cations, protons, electrons and holes can conduct. A compound with high electrical conductivity, for example, a compound exhibiting high ionic conductivity that conducts ions such as oxide ions (O 2− ) and protons (H + ) can be used in solid electrolytes such as fuel cells.

本発明者らは、特許文献2において、六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物が一般式Ba7-αNb(4-x-y)Mо(1+x)(20+z)などで表される化合物である固体電解質、それを用いた電解質層および電池を開示している。この固体電解質、それを用いた電解質層および電池は、YSZに比べて低い温度領域においても高い電気伝導度を有し、SOFCに好適に用いることができるものである。 In Patent Document 2, the present inventors disclosed a solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, the compound having the general formula Ba 7-α Nb (4-xy) Mo (1+x) M y O (20+z) and a solid electrolyte, an electrolyte layer and a battery using the same. This solid electrolyte, electrolyte layer and battery using it have high electrical conductivity even in a low temperature range compared to YSZ, and can be suitably used for SOFC.

特許第6448020号公報Japanese Patent No. 6448020 国際公開第2020-153485号WO2020-153485

従来知られているイオン伝導体に加えて、さらに高いイオン伝導度や高い酸素輸率を有するイオン伝導体が求められている。
また、周囲の環境によらず安定した性質を持つイオン伝導体も求められている。周囲の環境としては、例えば温度条件や、酸素分圧への依存性が挙げられる。
In addition to conventionally known ionic conductors, ionic conductors with higher ionic conductivity and higher oxygen transport number are desired.
There is also a demand for ionic conductors that have stable properties regardless of the surrounding environment. The ambient environment includes, for example, temperature conditions and dependence on oxygen partial pressure.

温度条件について、従来のYSZは、電池に必要な酸化物イオン伝導度を確保するにはおよそ700℃以上の高温を要する。電池を700℃以上という高温で動作させるには、動作させる環境やスペース、電池を高温に保ち他の環境が高温とならないよう遮断又は冷却するための他の装置などを必要とする。そのため、広い温度条件においてイオン伝導度が低下しないイオン伝導体が求められている。 Regarding temperature conditions, conventional YSZ requires a high temperature of about 700° C. or higher to ensure the oxide ion conductivity required for batteries. Operating a battery at a high temperature of 700° C. or higher requires an operating environment and space, and other devices for keeping the battery at a high temperature and for shutting off or cooling the other environment to prevent the temperature from becoming high. Therefore, there is a demand for an ionic conductor whose ionic conductivity does not decrease over a wide range of temperature conditions.

ここで、プロトン伝導体は、酸素イオン伝導体に比べると、伝導度の活性化エネルギーが低く、中低温で高い伝導度が実現できる。
しかし、上述したBaZr0.8Y0.2O2.9などの化学置換をして酸素空孔を導入したペロブスカイト型酸化物の母物質そのもののイオン伝導度は高くない。この化合物について、不純物あるいは酸素空孔を導入することで伝導度を上げることもできるが、より高いイオン伝導度を有するイオン伝導体が求められている。また、BaZr0.8Y0.2O2.9のようなプロトン伝導体は、高い酸素分圧下でホール伝導を示してプロトン輸率が低いという問題があり、二酸化炭素存在下で劣化するので、これらの雰囲気におけるプロトン輸率を上げ、劣化を避けるために、やはり他のプロトン伝導体を必要とする。
Here, the proton conductor has lower conductivity activation energy than the oxygen ion conductor, and can achieve high conductivity at medium and low temperatures.
However, the ionic conductivity of the perovskite-type oxide base material itself in which oxygen vacancies are introduced by chemical substitution such as BaZr0.8Y0.2O2.9 is not high. Although the conductivity of this compound can be increased by introducing impurities or oxygen vacancies, an ionic conductor with higher ionic conductivity is desired. In addition, proton conductors such as BaZr0.8Y0.2O2.9 have the problem of exhibiting hole conduction under high oxygen partial pressure and having a low proton transference number, and are deteriorated in the presence of carbon dioxide. Other proton conductors are still required to increase the proton transference number and avoid degradation.

本発明者らは、上述のプロトン伝導体が化学置換をして酸素空孔を導入し、又は不純物あるいは酸素空孔を導入することで伝導度を上げているのに対して、本質的なイオンの欠損層を有する結晶構造をとるような母物質を用いれば、欠損層によって高いイオン伝導度を有する化合物を見出せると予測し、鋭意研究を進めていった。 The inventors of the present invention have found that the above-mentioned proton conductors are chemically substituted to introduce oxygen vacancies, or to introduce impurities or oxygen vacancies to increase the conductivity, whereas the intrinsic ion We predicted that if we use a parent material that has a crystal structure with a deficient layer, we would be able to find a compound with high ionic conductivity due to the deficient layer.

本発明は上記のような事情を鑑みてなされたものであり、高いイオン伝導度を有し、周囲の温度又は雰囲気によってもイオン伝導度の安定した固体電解質、それを用いた電解質層、電池及び固体電解質の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, a solid electrolyte having high ionic conductivity and stable ionic conductivity even in the ambient temperature or atmosphere, an electrolyte layer using the same, a battery and a An object of the present invention is to provide a method for producing a solid electrolyte.

上記課題を解決するため、本発明は以下の態様を有する。
[1] 六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物は、下記一般式(1)で表される化合物である、固体電解質。
5-x1-y4-z16-w ・・・(1)
[式(1)中、Aは陽イオンで、Aの欠損量xは-4~4の数値である。Bは陽イオンで、Bの欠損量yは-0.5~0.5の数値である。Mは陽イオンで、Mの欠損量zは-2~2の数値である。Xは陰イオンで、Xの欠損量wは-3~3の数値である。]
[2] 前記式(1)中、Aの平均イオン半径は1.10~1.83Å、Bの平均イオン半径は0.73~1.24Å、Mの平均イオン半径は0.20~0.50Å、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åである、前記の固体電解質。
[3] 前記式(1)中、前記陰イオンXがOであり、前記wが酸素欠損量である、前記の固体電解質。
[4] 前記化合物はpalmierite型化合物であり、Ba2+とKとを除くイオンまたは電子を伝導する電気伝導体である、前記の固体電解質。
[5] 前記化合物はルビジウムイオン伝導体、酸化物イオン伝導体、プロトン伝導体、電子伝導体またはそれらの混合伝導体である、前記の固体電解質。
[6] 前記化合物のAが少なくともRbを含む陽イオンであり、BがGd、La、Nd、Sm、Eu、Tb、及びBiのうち少なくとも1種類の元素を含む陽イオンであり、Mが少なくともMoを含む陽イオンであり、Xは少なくともOを含む陰イオンである、前記の固体電解質。
[7] 前記化合物がRbGd(MoO、RbLa(MoO、RbNd(MoO、RbSm(MoO、RbEu(MoO、RbTb(MoO、RbBi(MoO、RbPr(MoO4、Rb4.9Bi1.1Mo16.1、又はRb4.5Ba0.5GdMo16.25である、前記の固体電解質。
[8] 前記化合物がRbGd(MoOである、前記の固体電解質。
[9] 六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物は、下記一般式(2)で表される化合物である、固体電解質。
2-x1-y1-z5-w ・・・(2)
[式(2)中、Aは陽イオンであり、Aの欠損量xは-1~1の数値である。Bは陽イオンであり、Bの欠損量yは-0.5~0.5の数値である。Mは陽イオンであり、Mの欠損量zは-0.5~0.5の数値である。Xは陰イオンであり、wは陰イオンXの欠損量であり、-1~1の数値である。]
[10] 前記式(2)中、Aの平均イオン半径は1.28Å~1.94Å、Bの平均イオン半径は0.59Å~1.04Å、Mの平均イオン半径は0.31Å~0.47Åであり、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åである、前記の固体電解質。
[11] 前記化合物がα-BaScAlO型またはβ-BaScAlO型化合物であり、イオン又は電子を伝導する電気伝導体あるいはイオン-電子混合伝導体である、前記の固体電解質。
[12] 前記式(2)中、前記陰イオンXがOであり、前記wが酸素欠損量である、前記の固体電解質。
[13] 前記式(2)中、Aは少なくともBaを含む陽イオンで、Bは少なくともSc、LuまたはInを含む陽イオンで、Mは少なくともAlを含む陽イオンで、Xは少なくともOを含む陰イオンである、前記の固体電解質。
[14] 前記化合物がBaInAlO、BaScAlO、BaSc0.87Al1.13、BaLuAlO、又はBaLu0.9Al1.1である、前記の固体電解質。
[15] 前記化合物がBaScAlO、BaSc0.87Al1.13、BaLuAlO、BaScAl0.9Ga0.1、BaScAl0.95Ga0.05、BaSc0.95Ga0.05AlO、BaSc0.95Ca0.05AlO4.976、BaSc0.95Mg0.05AlO4.975、BaSc0.95Zr0.05AlO5.025、BaLu0.98Al1.02、BaLu0.96Al1.04、BaLu0.95Al1.05、BaLu0.94Al1.06、BaLu0.93Al1.07、BaLu0.9Al1.1、又はBaLu0.8Al1.2である、前記の固体電解質。
[16] 六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物はBaScAl19型化合物で、下記一般式(3)で表される化合物である、固体電解質。
7-x6-y2-z19-w ・・・(3)
[式(3)中、Aは陽イオンで、Aの欠損量xは-3.5~3.5の数値である。Bは陽イオンで、Bの欠損量yは-3~3の数値である。Mは陽イオンで、Mの欠損量zは-1~1の数値である。Xは陰イオンで、wは陰イオンXの欠損量であり、-3~3の値である。]
[17] 前記式(3)中、Aの平均イオン半径は1.28~1.94Å、Bの平均イオン半径は0.59~0.90Å、Mの平均イオン半径は0.31~0.47Åであり、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åである、前記の固体電解質。
[18] 前記式(3)中、前記陰イオンXがOである、前記の固体電解質。
[19] 前記式(3)中、Aは少なくともBaを含む陽イオンで、Bは少なくともScを含む陽イオンで、Mは少なくともAlを含む陽イオンで、Xは少なくともOを含む陰イオンである、前記の固体電解質。
[20] 前記化合物がBaScAl19、Ba6.30.7ScAl18.65、Ba6.3Sr0.7ScAl19、BaSc5.4Mg0.6Al19.3、BaSc5.4Tb0.6Al19.3、又はBaSc5.4Zr0.6Al19.3である、前記の固体電解質。
[21] プロトン伝導体として用いられる固体電解質であって、200~1200℃の温度条件で用いるための、前記の固体電解質。
[22] 200℃における電気伝導度を測定したとき、lоg[σ(Scm-1)]で表される電気伝導度が-7以上の、前記の固体電解質。
[23] 燃料電池、センサ、電極、電解質、元素濃縮器、元素分離膜、元素透過膜、元素ポンプ、触媒、光触媒、電気・電子・通信機器、エネルギー・環境関連用機器または光学機器である、前記の固体電解質。
[24] 燃料電池又はセンサに用いられる電解質層用である、前記の固体電解質。
[25] 前記の固体電解質を含む電解質層。
[26] 前記の電解質層を備える電池。
[27] 水素燃料電池である、前記の電池。
[28] 前記の固体電解質の製造方法であって、
固相反応法によって前記化合物を製造し、
前記固相反応法における焼成は、
前記化合物が一般式(1)で表される化合物であるときは、大気下で200~1000℃で5~20時間、続けて300~1100℃で5~24時間焼成し、
前記化合物が一般式(2)又は(3)で表される化合物であるときは、大気下で200~1000℃で5~20時間、続けて大気下で1500~1700℃で3~24時間焼成する、
固体電解質の製造方法。
In order to solve the above problems, the present invention has the following aspects.
[1] A solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, wherein the compound is a compound represented by the following general formula (1).
A 5-x B 1-y M 4-z X 16-w (1)
[In the formula (1), A is a cation, and the missing amount x of A is a numerical value of -4 to 4. B is a cation, and the defect amount y of B is a numerical value of -0.5 to 0.5. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value of -2 to 2. X is an anion, and the missing amount w of X is a numerical value of -3 to 3. ]
[2] In the above formula (1), the average ionic radius of A is 1.10 to 1.83 Å, the average ionic radius of B is 0.73 to 1.24 Å, and the average ionic radius of M is 0.20 to 0.20 Å. 50 Å, the solid electrolyte having an average ionic radius of X of 1.10 Å to 1.68 Å.
[3] The solid electrolyte, wherein in the formula (1), the anion X is O, and w is the amount of oxygen deficiency.
[4] The solid electrolyte as described above, wherein the compound is a palmierite-type compound and is an electric conductor that conducts ions or electrons other than Ba 2+ and K + .
[5] The above solid electrolyte, wherein the compound is a rubidium ion conductor, an oxide ion conductor, a proton conductor, an electron conductor, or a mixed conductor thereof.
[6] A of the compound is a cation containing at least Rb, B is a cation containing at least one element selected from among Gd, La, Nd, Sm, Eu, Tb, and Bi, and M is at least The above-mentioned solid electrolyte, which is a cation containing Mo and X is an anion containing at least O.
[7] The compounds are Rb5Gd (MoO4) 4 , Rb5La (MoO4) 4 , Rb5Nd(MoO4)4 , Rb5Sm ( MoO4 ) 4 , Rb5Eu ( MoO4 ) 4 , Rb5Tb ( MoO4 ) 4 , Rb5Bi ( MoO4 ) 4 , Rb5Pr ( MoO4 ) 4 , Rb4.9Bi1.1Mo4O16.1 , or Rb4.5Ba0 .5 The solid electrolyte above which is GdMo 4 O 16.25 .
[8] The above solid electrolyte, wherein the compound is Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 .
[9] A solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, wherein the compound is a compound represented by the following general formula (2).
A 2-x B 1-y M 1-z X 5-w (2)
[In the formula (2), A is a cation, and the defect amount x of A is a numerical value of -1 to 1. B is a cation, and the defect amount y of B is a numerical value of -0.5 to 0.5. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value from -0.5 to 0.5. X is an anion, w is the amount of deficiency of the anion X, and is a numerical value from -1 to 1. ]
[10] In the above formula (2), the average ionic radius of A is 1.28 Å to 1.94 Å, the average ionic radius of B is 0.59 Å to 1.04 Å, and the average ionic radius of M is 0.31 Å to 0.31 Å. 47 Å, and the average ionic radius of X is between 1.10 Å and 1.68 Å.
[11] The solid electrolyte as described above, wherein the compound is an α-Ba 2 ScAlO 5 type or β-Ba 2 ScAlO 5 type compound, and is an electric conductor or an ion-electron mixed conductor that conducts ions or electrons.
[12] The solid electrolyte described above, wherein in the formula (2), the anion X is O, and w is the amount of oxygen deficiency.
[13] In the formula (2), A is a cation containing at least Ba, B is a cation containing at least Sc, Lu or In, M is a cation containing at least Al, and X contains at least O. The above solid electrolyte, which is an anion.
[14 ] The compound is Ba2InAlO5 , Ba2ScAlO5 , Ba2Sc0.87Al1.13O5 , Ba2LuAlO5 , or Ba2Lu0.9Al1.1O5 . The solid electrolyte described above.
[ 15 ] The compounds are Ba2ScAlO5 , Ba2Sc0.87Al1.13O5 , Ba2LuAlO5 , Ba2ScAl0.9Ga0.1O5 , Ba2ScAl0.95Ga0 .05O5 , Ba2Sc0.95Ga0.05AlO5 , Ba2Sc0.95Ca0.05AlO4.976 , Ba2Sc0.95Mg0.05AlO4.975 , Ba2 _ _ _ _ _ _ Sc0.95Zr0.05AlO5.025 , Ba2Lu0.98Al1.02O5 , Ba2Lu0.96Al1.04O5 , Ba2Lu0.95Al1.05O _ _ _ _ _ _ _ 5 , Ba2Lu0.94Al1.06O5 , Ba2Lu0.93Al1.07O5 , Ba2Lu0.9Al1.1O5 , or Ba2Lu0.8Al1 _ _ _ _ _ _ The above solid electrolyte which is .2O5 .
[16] A solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, wherein the compound is a Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 type compound represented by the following general formula (3).
A 7-x B 6-y M 2-z X 19-w (3)
[In the formula (3), A is a cation, and the missing amount x of A is a numerical value of -3.5 to 3.5. B is a cation, and the defect amount y of B is a numerical value of -3 to 3. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value from -1 to 1. X is an anion, and w is the missing amount of the anion X, which is a value of -3 to 3. ]
[17] In the above formula (3), the average ionic radius of A is 1.28 to 1.94 Å, the average ionic radius of B is 0.59 to 0.90 Å, and the average ionic radius of M is 0.31 to 0.31 Å. 47 Å, and the average ionic radius of X is between 1.10 Å and 1.68 Å.
[18] The solid electrolyte, wherein the anion X is O in the formula (3).
[19] In the formula (3), A is a cation containing at least Ba, B is a cation containing at least Sc, M is a cation containing at least Al, and X is an anion containing at least O. , the solid electrolyte described above.
[ 20 ] The compound is Ba7Sc6Al2O19 , Ba6.3K0.7Sc6Al2O18.65 , Ba6.3Sr0.7Sc6Al2O19 , Ba7Sc _ _ 5.4 Mg0.6Al2O19.3 , Ba7Sc5.4Tb0.6Al2O19.3 , or Ba7Sc5.4Zr0.6Al2O19.3 _ _ _ _ _ _ _ , the solid electrolyte described above.
[21] A solid electrolyte used as a proton conductor, for use under temperature conditions of 200 to 1200°C.
[22] The above-mentioned solid electrolyte, which has an electrical conductivity of -7 or more when measured at 200°C, represented by log[σ(Scm -1 )].
[23] Fuel cells, sensors, electrodes, electrolytes, element concentrators, element separation membranes, element permeable membranes, element pumps, catalysts, photocatalysts, electrical/electronic/communication equipment, energy/environment-related equipment or optical equipment, The solid electrolyte described above.
[24] The solid electrolyte described above, which is for an electrolyte layer used in fuel cells or sensors.
[25] An electrolyte layer containing the solid electrolyte.
[26] A battery comprising the electrolyte layer described above.
[27] The above cell, which is a hydrogen fuel cell.
[28] A method for producing the solid electrolyte,
Producing the compound by a solid state reaction method,
Firing in the solid phase reaction method is
When the compound is a compound represented by the general formula (1), it is calcined in the atmosphere at 200 to 1000° C. for 5 to 20 hours and then at 300 to 1100° C. for 5 to 24 hours,
When the compound is a compound represented by the general formula (2) or (3), it is calcined at 200 to 1000° C. for 5 to 20 hours in the atmosphere and then at 1500 to 1700° C. for 3 to 24 hours in the atmosphere. do,
A method for producing a solid electrolyte.

本発明によれば、高いイオン伝導度を有し、周囲の温度又は気体条件によってもイオン伝導度の安定した固体電解質、それを用いた電解質層、電池及び固体電解質の製造方法が得られる。 According to the present invention, a solid electrolyte having high ionic conductivity and stable ionic conductivity even under ambient temperature or gas conditions, an electrolyte layer using the same, a battery, and a method for producing a solid electrolyte can be obtained.

本実施形態のRbGd(MoOの結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of Rb5Gd ( MoO4)4 of this embodiment. 本実施形態のBaSc0.83Al1.17の結晶構造を示す図である。 It is a figure which shows the crystal structure of Ba2Sc0.83Al1.17O5 of this embodiment. 本実施形態のBaScAlOの結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of Ba2ScAlO5 of this embodiment. 本実施形態のBaLuAlOの結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of Ba2LuAlO5 of this embodiment. 本実施形態のBaScAl19の結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of Ba7Sc6Al2O19 of this embodiment. 結合原子価に基づいたテスト酸化物イオンのエネルギー図(BVEL)によって見積もられたエネルギー障壁(E)のヒストグラムを示す。FIG. 4 shows a histogram of the energy barriers (E b ) estimated by the energy diagram (BVEL) of test oxide ions based on bond valences. 実施例1のRbGd(MoOのXRD測定の結果を示すグラフ図である。4 is a graph showing the results of XRD measurement of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 of Example 1. FIG. 実施例1のRbGd(MoOの全電気伝導度のアレニウスプロットである。2 is an Arrhenius plot of the total conductivity of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 of Example 1. FIG. 実施例1のRbGd(MoOの全電気伝導度の酸素分圧依存性の測定結果を示すグラフ図である。4 is a graph showing the measurement results of the oxygen partial pressure dependence of the total electrical conductivity of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 of Example 1. FIG. 実施例1のRbGd(MoOのUV-visスペクトルの測定結果(Taucプロット)を示すグラフ図である。4 is a graph showing the measurement results (Tauc plot) of the UV-vis spectrum of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 of Example 1. FIG. 実施例2のBaSc0.83Al1.17のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph showing the results of XRD measurement of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 of Example 2; 実施例3のBaScAlOのXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of XRD measurement of Ba 2 ScAlO 5 of Example 3; 乾燥空気中および湿潤空気中における実施例2のBaSc0.83Al1.17及び実施例3のBaScAlOの全電気伝導度のアレニウスプロットを示すグラフ図である。FIG. 2 is a graphical representation of Arrhenius plots of the total conductivity of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 of Example 2 and Ba 2 ScAlO 5 of Example 3 in dry air and wet air. 乾燥雰囲気および湿潤雰囲気における(a)実施例2のBaSc0.83Al1.17及び(b)実施例3のBaScAlOの、全電気伝導度の酸素分圧依存性の測定結果を示すグラフ図である。Oxygen partial pressure dependence of the total electrical conductivity of (a) Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 of Example 2 and (b) Ba 2 ScAlO 5 of Example 3 in dry and wet atmospheres. It is a graph chart showing a measurement result. 酸素分圧が10-20気圧で乾燥雰囲気および湿潤雰囲気における(a)実施例3のBaScAlOのイオン伝導度について、(b)プロトン輸率についての測定結果を示すグラフ図である。FIG. 2 is a graph showing measurement results of (a) the ionic conductivity of Ba 2 ScAlO 5 of Example 3 and (b) the proton transference number in a dry atmosphere and a wet atmosphere at an oxygen partial pressure of 10 −20 atmospheres. 実施例2のBaSc0.83Al1.175、実施例3のBaScAlOのプロトン伝導度を従来の伝導体と比較したグラフ図(アレニウスプロット)である。FIG. 2 is a graph (Arrhenius plot) comparing the proton conductivity of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 of Example 2 and Ba 2 ScAlO 5 of Example 3 with those of conventional conductors. 実施例4のBaLuAlOのXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of Ba 2 LuAlO 5 of Example 4; 乾燥空気中および湿潤空気中における実施例4のBaLuAlOの全電気伝導度のアレニウスプロットを示すグラフ図である。FIG. 4 is a graphical representation showing Arrhenius plots of the total conductivity of Ba 2 LuAlO 5 of Example 4 in dry air and wet air. 湿潤雰囲気における実施例4のBaLuAlOの全電気伝導度の酸素分圧依存性の測定結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the oxygen partial pressure dependence of the total electrical conductivity of Ba 2 LuAlO 5 of Example 4 in a humid atmosphere. 実施例4のBaLuAlOのプロトン輸率についての測定結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the measurement results of the proton transference number of Ba 2 LuAlO 5 of Example 4; 実施例4のBaLuAlO及び実施例5のBaLu0.9Al1.1のプロトン伝導度を従来のプロトン伝導体と比較したグラフ図(アレニウスプロット)である。FIG. 3 is a graph (Arrhenius plot) comparing the proton conductivity of Ba 2 LuAlO 5 of Example 4 and Ba 2 Lu 0.9 Al 1.1 O 5 of Example 5 with that of a conventional proton conductor. 実施例6のBaScAl19のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 of Example 6. FIG. 乾燥空気中および湿潤空気中における実施例6のBaScAl19の全電気伝導度のアレニウスプロットを示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing Arrhenius plots of the total electrical conductivity of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 of Example 6 in dry air and wet air. 乾燥雰囲気および湿潤雰囲気における実施例6のBaScAl19の全電気伝導度の酸素分圧依存性の測定結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the oxygen partial pressure dependence of the total electrical conductivity of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 of Example 6 in a dry atmosphere and a wet atmosphere. 実施例6のBaScAl19のプロトン伝導度を従来のプロトン伝導体と比較したグラフ図(アレニウスプロット)である。FIG. 10 is a graph (Arrhenius plot) comparing the proton conductivity of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 of Example 6 with that of a conventional proton conductor. RbBi(MoOの結晶構造の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the crystal structure of Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 ; 実施例7のRbBi(MoO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 compound of Example 7; 実施例8のRbPr(MoO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Rb 5 Pr(MoO 4 ) 4 compound of Example 8. FIG. 参考例のRbLa(MoO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of XRD measurement of the Rb 5 La(MoO 4 ) 4 compound of Reference Example. 参考例のRbNd(MoO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of XRD measurement of the Rb 5 Nd(MoO 4 ) 4 compound of Reference Example. 参考例のRbSm(MoO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of XRD measurement of the Rb 5 Sm(MoO 4 ) 4 compound of Reference Example. 参考例のRbEu(MoO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of XRD measurement of the Rb 5 Eu(MoO 4 ) 4 compound of Reference Example. 参考例のRbTb(MoO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of XRD measurement of the Rb 5 Tb(MoO 4 ) 4 compound of Reference Example. 実施例7のRbBi(MoOの全電気伝導度のアレニウスプロットである。FIG. 11 is an Arrhenius plot of the total conductivity of Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 of Example 7; FIG. 実施例7の全電気伝導度を各温度、酸素分圧ごとに測定を行った結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of measuring the total electrical conductivity of Example 7 for each temperature and oxygen partial pressure. Tubandt法により見積もったRbBi(MoOにおけるRbとO2-の輸率を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing transference numbers of Rb + and O 2− in Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 estimated by the Tubandt method. 交流インピーダンス法により見積もった、RbBi(MoOおけるバルク伝導度と粒界伝導度の関係を示すグラフ図である。FIG. 2 is a graph showing the relationship between bulk conductivity and grain boundary conductivity in Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 estimated by the AC impedance method. RbBi(MoOと種々の酸化物イオン伝導体に関するバルク伝導度の比較を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing a bulk conductivity comparison for Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 and various oxide ion conductors. 実施例8のRbPr(MoOの全電気伝導度を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the total electrical conductivity of Rb 5 Pr(MoO 4 ) 4 of Example 8; 実施例9のRb4.9Bi1.1Mo16.01化合物の実験室系XRDピークパターンを示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the laboratory XRD peak pattern of the Rb 4.9 Bi 1.1 Mo 4 O 16.01 compound of Example 9; 実施例9のRb4.9Bi1.1Mo16.01の全電気伝導度を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the total electrical conductivity of Rb 4.9 Bi 1.1 Mo 4 O 16.01 of Example 9; 実施例10のBaScAl0.9Ga0.1化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 2 ScAl 0.9 Ga 0.1 O 5 compound of Example 10. FIG. 実施例11のBaScAl0.95Ga0.05化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 2 ScAl 0.95 Ga 0.05 O 5 compound of Example 11; 実施例12のBaSc0.95Ga0.05AlO化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 2 Sc 0.95 Ga 0.05 AlO 5 compound of Example 12; 実施例13のBaSc0.95Ca0.05AlO4.975化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 2 Sc 0.95 Ca 0.05 AlO 4.975 compound of Example 13; 実施例14のBaSc0.95Mg0.05AlO4.975化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 2 Sc 0.95 Mg 0.05 AlO 4.975 compound of Example 14; 実施例15のBaSc0.95Zr0.05AlO5.025化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 2 Sc 0.95 Zr 0.05 AlO 5.025 compound of Example 15; 実施例4、16~22の化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of XRD measurement of the compounds of Examples 4 and 16-22. 実施例16の化合物の乾燥窒素中および湿潤窒素中における全電気伝導度のアレニウスプロットである。2 is an Arrhenius plot of total conductivity in dry nitrogen and wet nitrogen for the compound of Example 16. FIG. 実施例17の化合物の乾燥窒素中および湿潤窒素中における全電気伝導度のアレニウスプロットである。2 is an Arrhenius plot of total conductivity in dry nitrogen and wet nitrogen for the compound of Example 17. FIG. 実施例18の化合物の乾燥窒素中および湿潤窒素中における全電気伝導度のアレニウスプロットである。2 is an Arrhenius plot of total conductivity in dry nitrogen and wet nitrogen for the compound of Example 18. FIG. 実施例19の化合物の乾燥窒素中および湿潤窒素中における全電気伝導度のアレニウスプロットである。2 is an Arrhenius plot of total conductivity in dry nitrogen and wet nitrogen for the compound of Example 19. FIG. 実施例20の化合物の乾燥窒素中および湿潤窒素中における全電気伝導度のアレニウスプロットである。2 is an Arrhenius plot of total conductivity in dry nitrogen and wet nitrogen for the compound of Example 20. FIG. 実施例22の化合物の乾燥窒素中および湿潤窒素中における全電気伝導度のアレニウスプロットである。2 is an Arrhenius plot of total conductivity in dry nitrogen and wet nitrogen for the compound of Example 22. FIG. 実施例4の化合物のプロトン輸率の測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of proton transference measurement of the compound of Example 4. FIG. 実施例4の化合物の湿潤窒素+水素中の伝導度の測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of conductivity measurements in wet nitrogen+hydrogen of the compound of Example 4; 実施例4の化合物の乾燥窒素中の伝導度の測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the results of measurement of the conductivity in dry nitrogen of the compound of Example 4; 実施例4の化合物のプロトン伝導度を従来知られたプロトン伝導体と比較したグラフ図である。FIG. 4 is a graphical representation comparing the proton conductivity of the compound of Example 4 with that of a conventionally known proton conductor. 実施例4の化合物の紫外・可視拡散反射スペクトルの測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the UV/visible diffuse reflectance spectrum of the compound of Example 4. FIG. 実施例23のBa6.30.7ScAl18.65化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 6.3 K 0.7 Sc 6 Al 2 O 18.65 compound of Example 23. FIG. 実施例24のBa6.3Sr0.7ScAl19化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 6.3 Sr 0.7 Sc 6 Al 2 O 19 compound of Example 24. FIG. 実施例25のBaSc5.4Mg0.6Al18.7化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 7 Sc 5.4 Mg 0.6 Al 2 O 18.7 compound of Example 25; 実施例26のBaSc5.4Tb0.6Al19.3化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 7 Sc 5.4 Tb 0.6 Al 2 O 19.3 compound of Example 26. FIG. 実施例27のBaSc5.4Zr0.6Al19.3化合物のXRD測定の結果を示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing the results of XRD measurement of the Ba 7 Sc 5.4 Zr 0.6 Al 2 O 19.3 compound of Example 27; 実施例27のBaSc5.4Zr0.6Al19.3の全電気伝導度のアレニウスプロットである。 10 is an Arrhenius plot of the total conductivity of Ba7Sc5.4Zr0.6Al2O19.3 of Example 27 ;

以下、本発明に係る固体電解質、電解質層、電池及び固体電解質の製造方法について、実施形態を示して説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A solid electrolyte, an electrolyte layer, a battery, and a method for producing a solid electrolyte according to the present invention will be described below with reference to embodiments. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

(固体電解質)
本実施形態の固体電解質は、六方ペロブスカイト関連化合物を含み、この化合物は、後述する特定の一般式で表されるものを含む。ここで、固体電解質とは、イオンが伝導する材料であり、イオンおよび(電子またはそのホール)の両方が伝導する材料も含む。なお、以下の各化合物は、不純物相も少量含まれるが、おおむね単相のものを用いることができるとする。
(solid electrolyte)
The solid electrolyte of the present embodiment contains a hexagonal perovskite-related compound, and this compound includes those represented by the specific general formula described below. Here, the solid electrolyte is a material that conducts ions, and includes materials that conduct both ions and (electrons or holes thereof). Each of the following compounds contains a small amount of an impurity phase, but generally a single-phase compound can be used.

これらの化合物は、いずれも後述するように、結晶構造において本質的な酸素欠損層(c′層および/またはh′層)を有する。ここで「′」をプライムと呼ぶ。この酸素欠損層があると、キャリアが存在でき、高いイオン伝導度を実現することが可能である。ここで伝導するイオンとは、主に酸化物イオン(O2-)、プロトン(水素イオン、H)などがあり得る。前記化合物は、酸素欠損層を有するため、母物質の構成陽イオンの価数より低い価数の陽イオンを添加しなくとも欠損を有する構造をとることができる。添加が不要なので相安定性に優れた母物質自身を固体電解質として利用でき、製造が容易で、高温下および種々の雰囲気下で安定であり、劣化せずに高いイオン伝導度(イオン伝導性)を保つと期待される。 All of these compounds have essential oxygen-deficient layers (c' and/or h' layers) in their crystal structures, as will be described later. Here, "'" is called a prime. With this oxygen-deficient layer, carriers can exist and high ionic conductivity can be achieved. The ions that conduct here can mainly include oxide ions (O 2− ), protons (hydrogen ions, H + ), and the like. Since the compound has an oxygen-deficient layer, it can have a structure having defects without adding cations having a valence lower than that of the constituent cations of the base material. Since no additives are required, the base material itself, which has excellent phase stability, can be used as a solid electrolyte. It is easy to manufacture, stable at high temperatures and in various atmospheres, and has high ionic conductivity (ionic conductivity) without deterioration. expected to keep

(六方ペロブスカイト関連化合物:A5-x1-y4-z16-w
本実施形態の化合物の一態様は、六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物は、下記一般式(1)で表される化合物である。
5-x1-y4-z16-w ・・・(1)
[式(1)中、Aは陽イオンで、Aの欠損量xは0~4の数値である。Bは陽イオンで、Bの欠損量yは0~0.5の数値である。Mは陽イオンで、Mの欠損量zは0~2の数値である。Xは陰イオンで、wは陰イオンXの欠損量であり、-3~3の値である。]
(Hexagonal perovskite-related compounds: A 5-x B 1-y M 4-z X 16-w )
One aspect of the compound of the present embodiment is a solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, the compound being represented by the following general formula (1).
A 5-x B 1-y M 4-z X 16-w (1)
[In the formula (1), A is a cation, and the missing amount x of A is a numerical value of 0 to 4. B is a cation, and the missing amount y of B is a numerical value of 0 to 0.5. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value of 0-2. X is an anion, and w is the missing amount of the anion X, which is a value of -3 to 3. ]

本実施形態における六方ペロブスカイト関連化合物とは、六方ペロブスカイトユニットを含む層状構造をもつ化合物またはそれに類似した構造をもつ化合物である。 The hexagonal perovskite-related compound in the present embodiment is a compound having a layered structure containing hexagonal perovskite units or a compound having a structure similar thereto.

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(1)中、Aの平均イオン半径は1.10~1.83Å、Bの平均イオン半径は0.73~1.24Å、Mの平均イオン半径は0.20~0.50Å、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åであることが好ましい。
各元素のイオン半径がこの範囲であることにより、イオン伝導体として機能するために好適な結晶構造をとることができる。
In the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, in the formula (1), the average ionic radius of A is 1.10 to 1.83 Å, the average ionic radius of B is 0.73 to 1.24 Å, and the average of M Preferably, the ionic radius is 0.20 to 0.50 Å, and the average ionic radius of X is 1.10 Å to 1.68 Å.
When the ionic radius of each element is within this range, a crystal structure suitable for functioning as an ionic conductor can be obtained.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(1)中、前記陰イオンXがOであり、前記wが酸素欠損量であることも好ましい。 Further, in the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, it is also preferable that the anion X in the formula (1) is O and the w is the amount of oxygen deficiency.

また、本実施形態における固体電解質に、palmierite型化合物が含まれることも好ましい。ここで、palmierite型化合物とは、鉱物palmierite(パルミーライト)と同様又は類似した構造をもつ化合物のことを指す。より具体的には、A陽イオンとX陰イオンが充填したAX層および/またはAX3-δ層が、六方最密充填したh層と、アニオンが欠損した立方最密充填c層が、…c′hhc′hhc′hh…のように積層した構造を持ち、それらの層の間にB陽イオンとM陽イオンが入った構造をもつ化合物を指す。ここでδは0以上2以下の実数である。
また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、Ba2+およびKを除くイオンおよび/または電子を伝導する電気伝導体であることも好ましい。ここでイオンおよび/または電子は、広くは荷電した粒子が含まれ、例えば、酸素イオン、プロトン(水素イオン)、電子、電子のホール、その他荷電した原子、分子が広く含まれる。
Moreover, it is also preferable that the solid electrolyte in the present embodiment contains a palmierite-type compound. Here, a palmierite-type compound refers to a compound having a structure similar to or similar to that of the mineral palmierite. More specifically, AX 3 layers and/or AX 3-δ layers packed with A cations and X anions are hexagonally close-packed h-layers and anion-deficient cubic close-packed c-layers are . . c'hhc'hhc'hh . Here, δ is a real number of 0 or more and 2 or less.
Also, the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment is preferably an electric conductor that conducts ions and/or electrons other than Ba 2+ and K + . Here, ions and/or electrons broadly include charged particles such as oxygen ions, protons (hydrogen ions), electrons, electron holes, and other charged atoms and molecules.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、ルビジウムイオン伝導体、酸化物イオン伝導体、プロトン伝導体、電子伝導体、またはそれらの混合伝導体であることも好ましい。
酸化物イオン伝導体はこれまで知られており、燃料電池の固体電解質として好適に使用できる。酸化物イオン-電子混合伝導体は、燃料電池の電極材料として期待できる。プロトン伝導体のプロトン伝導度は、低温で比較的高いので、低温作動型の燃料電池用固体電解質が得られる。
Also, the compound contained in the solid electrolyte in this embodiment is preferably a rubidium ion conductor, an oxide ion conductor, a proton conductor, an electron conductor, or a mixed conductor thereof.
Oxide ion conductors have been known and can be suitably used as solid electrolytes for fuel cells. Oxide ion-electron mixed conductors are expected as electrode materials for fuel cells. Since the proton conductivity of the proton conductor is relatively high at low temperatures, a solid electrolyte for low temperature operation type fuel cells can be obtained.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記化合物のAが少なくともRbを含む陽イオンであり、BがGd、La、Nd、Sm、Eu、Tb、及びBiのうち少なくとも1種類の元素を含む陽イオンであり、Mが少なくともMoを含む陽イオンであることも好ましい。また、前記A、B、M又はXはそれぞれ複数種の元素からなっていてもよい。 Further, in the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, A of the compound is a cation containing at least Rb, and B is at least one of Gd, La, Nd, Sm, Eu, Tb, and Bi. It is also preferred that M is a cation containing at least Mo. In addition, each of A, B, M, and X may consist of a plurality of elements.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、RbGd(MoO、RbLa(MoO、RbNd(MoO、RbSm(MoO、RbEu(MoO、RbTb(MoO、RbBi(MoO、RbPr(MoO4、Rb4.9Bi1.1Mo16.1、又はRb4.5Ba0.5GdMo16.25であることが好ましい。
特に、RbTb(MoO、RbBi(MoO,又はRb4.5Ba0.5GdMo16.25は、これまで報告された例のない化合物であり、また、各種のイオン又は電子伝導体としての機能もこれまでに知られていないものである。
The compounds contained in the solid electrolyte in the present embodiment are Rb5Gd(MoO4) 4 , Rb5La ( MoO4 ) 4 , Rb5Nd ( MoO4 ) 4 , Rb5Sm ( MoO4 ) 4 , Rb5Eu ( MoO4 ) 4 , Rb5Tb ( MoO4 ) 4 , Rb5Bi ( MoO4 ) 4 , Rb5Pr ( MoO4 ) 4 , Rb4.9Bi1.1Mo4O16.1 , or Rb 4.5 Ba 0.5 GdMo 4 O 16.25 .
In particular, Rb 5 Tb(MoO 4 ) 4 , Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 , or Rb 4.5 Ba 0.5 GdMo 4 O 16.25 are hitherto unreported compounds, and , functions as various ionic or electronic conductors have not been known so far.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、RbGd(MoOであることが特に好ましい。 Moreover, it is particularly preferable that the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment is Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 .

図1に、式(1)の化合物のうち、RbGd(MoOの結晶構造を示す。RbGd(MoOは、六方ペロブスカイト型構造の一種であるpalmierite型構造を持つ。RbとGdの不規則占有が見られ、占有率はともに0.5である。図に示す化合物をはじめとして、本実施形態の化合物の結晶には、酸素欠損層(c′層)が存在する。この酸素欠損層を、イオンが伝導可能であると考えられる。特に、図に示す化合物のc′層は酸素イオンO2-が伝導可能と考えられる。 FIG. 1 shows the crystal structure of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 among the compounds of formula (1). Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 has a palmierite structure, which is a kind of hexagonal perovskite structure. Random occupancy of Rb and Gd is seen, both occupancy ratios being 0.5. Crystals of the compounds of the present embodiment, including the compounds shown in the figure, have an oxygen-deficient layer (c' layer). It is believed that ions can be conducted through this oxygen-deficient layer. In particular, the c' layer of the compound shown in the figure is believed to be capable of conducting oxygen ions O 2− .

本実施形態の化合物は、従来の材料であるYSZに匹敵する高いイオン伝導度を有する。具体的には、300℃、乾燥空気下においてRbGd(MoOの全電気伝導度(σtоt)が5.8×10-6(Scm-1)の値を示し、YSZの電気伝導度と同程度の値を示している。 The compounds of this embodiment have high ionic conductivity comparable to the conventional material YSZ. Specifically, the total electrical conductivity (σ tot ) of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 under dry air at 300° C. shows a value of 5.8×10 −6 ( Scm −1 ). It shows a value similar to the conductivity.

加えて、10-21~0.2気圧の広い酸素分圧領域において、全電気伝導度が酸素分圧に依存せず、ほぼ一定であり、安定性も高い。本実施形態の化合物は、電子伝導・ホール伝導に比べてイオン伝導が支配的であることが示唆される。 In addition, in a wide oxygen partial pressure range of 10 −21 to 0.2 atm, the total electrical conductivity is almost constant without depending on the oxygen partial pressure, and the stability is high. It is suggested that in the compound of the present embodiment, ionic conduction is dominant over electron conduction and hole conduction.

(六方ペロブスカイト関連化合物:A2-x1-y1-z5-w
本実施形態の化合物の一態様は、六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物は、下記一般式(2)で表される化合物である。
2-x1-y1-z5-w ・・・(2)
[式(2)中、Aは陽イオンであり、Aの欠損量xは-1~1の数値である。Bは陽イオンであり、Bの欠損量yは-0.5~0.5の数値である。Mは陽イオンであり、Mの欠損量zは-0.5~0.5の数値である。Xは陰イオンで、であり、wは陰イオンXの欠損量であり、-1~1の数値である。]
(Hexagonal perovskite-related compound: A 2-x B 1-y M 1-z X 5-w )
One aspect of the compound of the present embodiment is a solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, the compound being represented by the following general formula (2).
A 2-x B 1-y M 1-z X 5-w (2)
[In the formula (2), A is a cation, and the defect amount x of A is a numerical value of -1 to 1. B is a cation, and the defect amount y of B is a numerical value of -0.5 to 0.5. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value from -0.5 to 0.5. X is an anion, and w is the amount of deficiency of the anion X, which is a numerical value from -1 to 1. ]

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(2)中、α-BaScAlO型化合物またはβ-BaScAlO型化合物であることが好ましい。
ここで、α-BaScAlO型化合物またはβ-BaScAlO型化合物は、BaScAlOが、結晶の化学式としてはBaScAlOであってもα型又はβ型をとり、この結晶に類似した結晶構造を指す。どちらの結晶構造をとるかは、結晶の合成時の組成比により調整することができる。例えば、BaScAlOでは、組成比をBaScAlOとなるよう合成した場合、β-BaScAlO型となり、組成比をBaSc0.83Al1.17となるよう合成した場合、α-BaScAlO型の結晶となる。以下、β-BaScAlOを単にBaScAlO、α-BaScAlOをBaSc0.83Al1.175、又はα-BaSc0.83Al1.17と表記する場合もある。
The compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment is preferably an α-Ba 2 ScAlO 5 type compound or a β-Ba 2 ScAlO 5 type compound in the formula (2).
Here, the α-Ba 2 ScAlO 5 -type compound or the β-Ba 2 ScAlO 5 -type compound takes the α-type or β-type even if Ba 2 ScAlO 5 is Ba 2 ScAlO 5 as the chemical formula of the crystal. Refers to a crystal structure similar to a crystal. Which crystal structure to adopt can be adjusted by the composition ratio at the time of synthesizing the crystal. For example, when Ba 2 ScAlO 5 is synthesized so that the composition ratio is Ba 2 ScAlO 5 , it becomes β-Ba 2 ScAlO 5 type, and is synthesized so that the composition ratio is Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 . In this case, α-Ba 2 ScAlO 5 type crystals are obtained. Hereafter, β-Ba 2 ScAlO 5 is simply Ba 2 ScAlO 5 , α-Ba 2 ScAlO 5 is simply Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 , or α-Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 It is sometimes written as

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記したイオンおよび/または電子を伝導する電気伝導体であることも好ましい。 The compound contained in the solid electrolyte in this embodiment is also preferably an electric conductor that conducts ions and/or electrons.

なお、MがScのときは,BがAlでx=0、y=0のときが最も優れた特性を示し、LuのときはBがAlでx=0.1、y=-0.1のときが最も優れた特性を示す。 When M is Sc, the best characteristics are exhibited when B is Al and x = 0 and y = 0. When M is Lu, B is Al and x = 0.1 and y = -0.1. The best characteristics are exhibited when

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(2)中、Aの平均イオン半径は1.28Å~1.94Å、Bの平均イオン半径は0.59Å~1.04Å、Mの平均イオン半径は0.31Å~0.47Å、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åであることが好ましい。
各元素のイオン半径がこの範囲であることにより、イオン伝導体として機能するために好適な結晶構造をとることができる。
In the compound contained in the solid electrolyte in this embodiment, in the formula (2), the average ionic radius of A is 1.28 Å to 1.94 Å, the average ionic radius of B is 0.59 Å to 1.04 Å, and the average of M Preferably, the ionic radius is 0.31 Å to 0.47 Å, and the average ionic radius of X is 1.10 Å to 1.68 Å.
When the ionic radius of each element is within this range, a crystal structure suitable for functioning as an ionic conductor can be obtained.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(2)中、前記陰イオンXがOであり、前記wが酸素欠損量であることが好ましい。 Further, in the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, it is preferable that the anion X in the formula (2) is O and the w is the amount of oxygen deficiency.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(2)中、Aは少なくともBaを含む陽イオンで、Bは少なくともSc、LuまたはInを含む陽イオンで、Mは少なくともAlを含む陽イオンであることが好ましい。また、前記A、B、M又はXはそれぞれ複数種の元素からなっていてもよい。 Further, in the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, in the formula (2), A is a cation containing at least Ba, B is a cation containing at least Sc, Lu or In, and M is at least Al. It is preferably a cation containing In addition, each of A, B, M, and X may consist of a plurality of elements.

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、BaInAlO、BaScAlO、BaSc0.87Al1.13、BaLuAlO、又はBaLu0.9Al1.1であることが好ましい。 Further, the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment is Ba2InAlO5 , Ba2ScAlO5 , Ba2Sc0.87Al1.13O5 , Ba2LuAlO5 , or Ba2Lu0.9Al . It is preferably 1.1 O5 .

また、本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、上記のうち、BaScAlO、BaSc0.87Al1.13、BaLuAlO、BaScAl0.9Ga0.1、BaScAl0.95Ga0.05、BaSc0.95Ga0.05AlO、BaSc0.95Ca0.05AlO4.976、BaSc0.95Mg0.05AlO4.975、BaSc0.95Zr0.05AlO5.025、BaLu0.98Al1.02、BaLu0.96Al1.04、BaLu0.95Al1.05、BaLu0.94Al1.06、BaLu0.93Al1.07、BaLu0.9Al1.1、又はBaLu0.8Al1.2、BaLu0.9Al1.1又はBaLu0.8Al1.2であることがより好ましい。これらの化合物は、これまで報告された例のない化合物であり、また、各種のイオンおよび/または電子伝導体としての機能もこれまでに知られていないものである。 Further, the compounds contained in the solid electrolyte in the present embodiment are Ba 2 ScAlO 5 , Ba 2 Sc 0.87 Al 1.13 O 5 , Ba 2 LuAlO 5 , Ba 2 ScAl 0.9 Ga 0.9 Ga 0.87 Al 1.13 O 5 , Ba 2 LuAlO 5 . 1O5 , Ba2ScAl0.95Ga0.05O5 , Ba2Sc0.95Ga0.05AlO5 , Ba2Sc0.95Ca0.05AlO4.976 , Ba2Sc0 . _ _ _ _ _ _ 95Mg0.05AlO4.975 , Ba2Sc0.95Zr0.05AlO5.025 , Ba2Lu0.98Al1.02O5 , Ba2Lu0.96Al1.04O5 _ _ _ _ _ _ _ _ , Ba2Lu0.95Al1.05O5 , Ba2Lu0.94Al1.06O5 , Ba2Lu0.93Al1.07O5 , Ba2Lu0.9Al1.1 _ _ _ _ _ _ _ O 5 , or Ba 2 Lu 0.8 Al 1.2 O 5 , Ba 2 Lu 0.9 Al 1.1 O 5 or Ba 2 Lu 0.8 Al 1.2 O 5 is more preferable. These compounds are compounds that have never been reported before, and their functions as various ionic and/or electronic conductors have not been known so far.

図2に、式(2)の化合物のうち、BaSc0.83Al1.17、図3にBaScAlO及び図4にBaLuAlOの結晶構造を示す。BaSc0.83Al1.17は、各元素をこの組成比で合成した際にBaScAlOのα型の結晶として得られるので、α-BaScAlO、又はα-BaSc0.83Al1.17とも表記する。一方、BaScAlOは、各元素をこの組成比で合成した際にβ型の結晶として得られるので、β-BaScAlOとも表記する。
図に示すように、これらの結晶構造には本質的な酸素欠損層(h′層)が存在する。この酸素欠損層を、イオンが伝導可能であると考えられる。特に、この化合物のh′層はプロトンが伝導可能と考えられる。
FIG. 2 shows the crystal structure of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 , FIG. 3 shows Ba 2 ScAlO 5 , and FIG. 4 shows the crystal structure of Ba 2 LuAlO 5 among the compounds of the formula (2). Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 is obtained as an α-type crystal of Ba 2 ScAlO 5 when each element is synthesized in this composition ratio, so α-Ba 2 ScAlO 5 or α-Ba It is also written as 2Sc0.83Al1.17O5 . On the other hand, Ba 2 ScAlO 5 is also expressed as β-Ba 2 ScAlO 5 because it is obtained as a β-type crystal when each element is synthesized in this composition ratio.
As shown in the figure, there is an essential oxygen-deficient layer (h' layer) in these crystal structures. It is believed that ions can be conducted through this oxygen-deficient layer. In particular, the h' layer of this compound is believed to be capable of conducting protons.

また、前記したようにyおよびzの値を変更し、Lu/Al比の変更により、異なる特性を持たせることができる。化合物がBaLu0.9Al1.1である化合物は、さらに高い伝導度を有し、従来知られた代表的なプロトン伝導体に匹敵する伝導度を示すことができる。この化合物は、特に300~700℃の低温において、BaCe0.90.12.95を超える電気伝導度を示すことができる。 Also, by changing the values of y and z as described above, and by changing the Lu/Al ratio, different properties can be obtained. A compound in which the compound is Ba 2 Lu 0.9 Al 1.1 O 5 has even higher conductivity, and can exhibit conductivity comparable to conventionally known typical proton conductors. This compound can exhibit electrical conductivity exceeding BaCe 0.9 Y 0.1 O 2.95 , especially at low temperatures of 300-700°C.

式(2)の化合物のうちβ-BaScAlOは、電解質領域(P(O)~10-20atm)での全電気伝導度の温度依存性200~600℃で輸率が99%以上である。このため、電気伝導度は、プロトン伝導度が支配的であると考えられる。 Among the compounds of formula (2), β-Ba 2 ScAlO 5 has a transference number of 99% at 200 to 600 ° C for the temperature dependence of the total electrical conductivity in the electrolyte region (P(O 2 ) ~ 10 -20 atm). That's it. Therefore, it is considered that proton conductivity is dominant in electrical conductivity.

式(2)の化合物は、プロトン伝導度を比較すると、従来技術における代表的なプロトン伝導体、例えばLa0.8Ba1.2GaO3.9(LBGO)、La0.99Ca0.01NbO3.995(LaNbO)、La2627(BO(LBO)、La5.4MoO11.1(LMO)、又はLa0.9Sr0.1PO3.95(LaPO)と比べても、きわめて高い値を示すことができる。 Comparing the proton conductivity, the compound of formula (2) is comparable to representative proton conductors in the prior art, such as La 0.8 Ba 1.2 GaO 3.9 (LBGO), La 0.99 Ca 0.01 NbO3.995 ( LaNbO4 ), La26O27 ( BO3 ) 8 ( LBO ), La5.4MoO11.1 ( LMO ), or La0.9Sr0.1PO3.95 ( LaPO4 ), it can show a very high value.

(BaScAl19型化合物:A7-x6-y2-z19-w
本実施形態の化合物の一態様は、BaScAl19型化合物を含む固体電解質であって、前記化合物は、下記一般式(3)で表される化合物である。
7-x6-y2-z19-w ・・・(3)
[式(3)中、Aは陽イオンで、Aの欠損量xは0~3.5の数値である。Bは陽イオンで、Bの欠損量yは0~3の数値である。Mは陽イオンで、Mの欠損量zは0~1の数値である。Xは陰イオンであり、wは陰イオンXの欠損量であり、-3~3の値である。]
BaScAl19型化合物とは、六方ペロブスカイト関連化合物の一つで、BaScAl19と同様、又は類似した結晶構造を有する化合物である。具体的には、後述する図5に示すような構造であり、BaSc層とβ-BaScAlO層が交互に積層した構造である。さらに具体的には、前記式(3)の化合物はBaScAl19と同様、又は類似した結晶構造を有する。
(Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 type compound: A 7-x B 6-y M 2-z X 19-w )
One aspect of the compound of the present embodiment is a solid electrolyte containing a Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 type compound, and the compound is a compound represented by the following general formula (3).
A 7-x B 6-y M 2-z X 19-w (3)
[In the formula (3), A is a cation, and the missing amount x of A is a numerical value of 0 to 3.5. B is a cation, and the missing amount y of B is a numerical value of 0-3. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value of 0-1. X is an anion, w is the amount of deficiency of the anion X, and has a value of -3 to 3. ]
The Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 type compound is one of the hexagonal perovskite-related compounds and is a compound having the same or similar crystal structure as Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 . Specifically, the structure is shown in FIG. 5, which will be described later, and is a structure in which 9 layers of Ba 3 Sc 4 O and 5 layers of β-Ba 2 ScAlO are alternately laminated. More specifically, the compound of formula (3) has a similar or similar crystal structure to Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 .

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(3)中、Aの平均イオン半径は1.28~1.94Å、Bの平均イオン半径は0.59~0.90Å、Mの平均イオン半径は0.31~0.47Å、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åであることが好ましい。
各元素のイオン半径がこの範囲であることにより、イオン伝導体として機能するために好適な結晶構造をとることができる。
In the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, in the above formula (3), the average ionic radius of A is 1.28 to 1.94 Å, the average ionic radius of B is 0.59 to 0.90 Å, and the average of M Preferably, the ionic radius is 0.31 to 0.47 Å, and the average ionic radius of X is 1.10 Å to 1.68 Å.
When the ionic radius of each element is within this range, a crystal structure suitable for functioning as an ionic conductor can be obtained.

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(3)中、前記陰イオンXがOであり、前記wが酸素欠損量であることも好ましい。また、前記酸素欠損量wが-2~2の値であってもよい。 In the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, it is also preferable that the anion X is O in the formula (3), and the w is the amount of oxygen deficiency. Also, the oxygen deficiency amount w may be a value of -2 to 2.

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、前記式(3)中、Aは少なくともBaを含む陽イオンで、Bは少なくともScを含む陽イオンで、Mは少なくともAlを含む陽イオンであることが好ましい。また、前記A、B、Mはそれぞれ複数種の元素からなっていてもよい。 In the compound contained in the solid electrolyte in the present embodiment, in the formula (3), A is a cation containing at least Ba, B is a cation containing at least Sc, and M is a cation containing at least Al. is preferred. In addition, each of A, B, and M may be composed of a plurality of types of elements.

本実施形態における固体電解質に含まれる化合物は、BaScAl19、Ba6.30.7ScAl18.65、Ba6.3Sr0.7ScAl19、BaSc5.4Mg0.6Al19.3、BaSc5.4Tb0.6Al19.3、又はBaSc5.4Zr0.6Al19.3であることが好ましい。 Compounds contained in the solid electrolyte in this embodiment are Ba7Sc6Al2O19 , Ba6.3K0.7Sc6Al2O18.65 , Ba6.3Sr0.7Sc6Al2 O19 , Ba7Sc5.4Mg0.6Al2O19.3 , Ba7Sc5.4Tb0.6Al2O19.3 , or Ba7Sc5.4Zr0.6Al2 _ _ _ _ _ _ _ O is preferably 19.3 .

図5に、式(3)の化合物のうち、BaScAl19の結晶構造を示す。
図に示すように、この結晶構造には本質的な酸素欠損層(h′層)が存在する。この酸素欠損層を、イオンが伝導可能であると考えられる。特に、この化合物のh′層はプロトンが伝導可能と考えられる。
FIG. 5 shows the crystal structure of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 among the compounds of formula (3).
As shown in the figure, there is an essential oxygen-deficient layer (h' layer) in this crystal structure. It is believed that ions can be conducted through this oxygen-deficient layer. In particular, the h' layer of this compound is believed to be capable of conducting protons.

式(3)の化合物は、湿潤雰囲気で,乾燥雰囲気よりも伝導度が向上する性質を有する。このため、電気伝導度は、プロトン伝導度が支配的であると考えられる。 The compound of formula (3) has the property that the conductivity is improved in a wet atmosphere as compared to a dry atmosphere. Therefore, it is considered that proton conductivity is dominant in electrical conductivity.

式(3)の化合物は、プロトン伝導度を比較すると、従来技術における代表的なプロトン伝導体、例えばLa0.8Ba1.2GaO3.9 (LBGO)、La5.4MoO11.1 (LMO)、又はLa0.9Sr0.1PO3.95 (LaPO)と比べても、きわめて高い値を示すことができる。 Comparing the proton conductivity, the compound of formula (3) is comparable to representative proton conductors in the prior art, such as La 0.8 Ba 1.2 GaO 3.9 (LBGO), La 5.4 MoO 11.1 (LMO) or La 0.9 Sr 0.1 PO 3.95 (LaPO 4 ), extremely high values can be shown.

(本実施形態の化合物のイオン伝導の性質)
本実施形態において、上述の各条件を有する化合物は、各種のイオン伝導体としての性質を有することが考えられる。特に、上述の化合物は、プロトン伝導体あるいは固体電解質として用いる場合に、有効な電気伝導度(酸化物イオン伝導度)が得られることを想定している。プロトン伝導体とは、プロトン(水素イオン、H)の伝導(移動)により電気が伝導する化合物である。また、本実施形態の化合物を用いた固体電解質は、200~1200℃の温度条件で用いることが好ましく、200~1000℃の温度条件で用いることがより好ましく、200℃以上700℃未満で用いることがさらに好ましく、200~600℃で用いることが特に好ましい。この温度条件で用いることで、従来の燃料電池よりも広い温度領域で安定して動作させることができるため、動作に必要な装置や配置等の制約が少なく、広い応用範囲が得られる。
なお、本実施形態の化合物を用いた固体電解質は、例えばSOFCのような600℃を超える温度で動作させることも可能である。
(Properties of ionic conduction of the compound of the present embodiment)
In this embodiment, it is conceivable that the compound having the above-mentioned conditions has properties as various ion conductors. In particular, it is assumed that the above-mentioned compounds will provide effective electrical conductivity (oxide ion conductivity) when used as proton conductors or solid electrolytes. A proton conductor is a compound that conducts electricity by conduction (movement) of protons (hydrogen ions, H + ). Further, the solid electrolyte using the compound of the present embodiment is preferably used under temperature conditions of 200 to 1200°C, more preferably under temperature conditions of 200 to 1000°C, and is used at 200°C or more and less than 700°C. is more preferable, and it is particularly preferable to use at 200 to 600°C. By using this temperature condition, it is possible to stably operate in a wider temperature range than the conventional fuel cell, so that there are few restrictions on the devices and layout required for operation, and a wide range of applications can be obtained.
A solid electrolyte using the compound of the present embodiment can also be operated at temperatures exceeding 600° C., such as SOFC.

約200℃において本実施形態の固体電解質の電気伝導度を測定したとき、lоg[σ(Scm-1)]で表される電気伝導度が-7.0以上であることが好ましく、-5.0以上であることがより好ましい。200℃における電気伝導度が充分に高いことで、低温において高い電気伝導度を有し、低温で作動する電池その他の装置に特に好適に用いることができる。 When the electrical conductivity of the solid electrolyte of the present embodiment is measured at about 200° C., the electrical conductivity represented by log[σ(Scm −1 )] is preferably −7.0 or more, and −5. It is more preferably 0 or more. Since the electrical conductivity at 200° C. is sufficiently high, it has high electrical conductivity at low temperatures and can be used particularly well in batteries and other devices that operate at low temperatures.

(固体電解質層)
また、本実施形態の固体電解質は、層状に形成し、または層状の構造に含まれるよう形成して、固体電解質層として用いることができる。固体電解質層は、本実施形態の固体電解質以外にも他のイオン伝導体等を含んでいてもよい。本実施形態の固体電解質を用いた電池等が高い電気伝導度を示し、また、特に後述の低温作動電池として有効に動作させるためには、例えば固体電解質層の50質量%以上、好ましくは70質量%以上、本実施形態の六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質を含有することが好ましい。
(Solid electrolyte layer)
In addition, the solid electrolyte of the present embodiment can be formed into a layered structure, or formed to be included in a layered structure, and used as a solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer may contain an ion conductor or the like other than the solid electrolyte of the present embodiment. In order for the battery or the like using the solid electrolyte of the present embodiment to exhibit high electrical conductivity, and particularly to operate effectively as a low-temperature operating battery described later, for example, 50% by mass or more, preferably 70% by mass, of the solid electrolyte layer % or more of the solid electrolyte containing the hexagonal perovskite-related compound of the present embodiment.

(固体電解質又は固体電解質層を含む電池)
本実施形態の固体電解質、またはこの固体電解質を含む電解質層は、これを含む電池に用いることができる。本実施形態の固体電解質は、このうち上述したように燃料電池に特に好適に用いることができる。
(Battery containing solid electrolyte or solid electrolyte layer)
The solid electrolyte of the present embodiment or an electrolyte layer containing this solid electrolyte can be used in a battery containing this. Among them, the solid electrolyte of the present embodiment can be particularly suitably used for fuel cells as described above.

本実施形態における固体電解質、またはこの固体電解質を含む電解質層を用いた電池は、低温作動電池に特に好適に用いることができる。低温作動電池は、本実施形態においては前述したように200~1200℃、好ましくは200~1000℃、より好ましくは200以上700℃未満、特に好ましくは200~600℃で動作する電池である。 A battery using the solid electrolyte of the present embodiment or an electrolyte layer containing this solid electrolyte can be particularly suitably used as a low-temperature operating battery. In the present embodiment, the low-temperature operating battery is a battery that operates at 200 to 1200°C, preferably 200 to 1000°C, more preferably 200 to 700°C, and most preferably 200 to 600°C, as described above.

本実施形態における電池は、例えば、陽極、陰極およびこれらの間に介在している上述の固体電解質層を含む。陰極と固体電解質は一体化した陰極-固体電解質層接合体を形成していてもよい。 The battery in this embodiment includes, for example, an anode, a cathode, and the solid electrolyte layer interposed therebetween. The cathode and solid electrolyte may form an integrated cathode-solid electrolyte layer assembly.

(固体電解質の他の用途)
従来、ペロブスカイト関連化合物等及びそれを含む固体電解質は、高いイオン伝導度を示すことから、電池、センサ、イオン濃縮器、イオン分離や透過等に用いる膜、及び触媒等にも幅広く応用されているが、本実施形態の固体電解質は、これらと同様に応用することができる。例えば、本実施形態の固体電解質は、燃料電池の他、その他の電池、センサ、電極、電解質、元素濃縮器、元素分離膜、元素透過膜、元素ポンプ、触媒、光触媒、電気・電子・通信機器、エネルギー・環境関連用機器または光学機器等に用いることができる。
(Other uses of solid electrolyte)
Conventionally, perovskite-related compounds and solid electrolytes containing them show high ionic conductivity, so they are widely applied to batteries, sensors, ion concentrators, membranes used for ion separation and permeation, and catalysts. However, the solid electrolyte of the present embodiment can be applied similarly to these. For example, the solid electrolyte of the present embodiment can be used for fuel cells, other batteries, sensors, electrodes, electrolytes, element concentrators, element separation membranes, element permeable membranes, element pumps, catalysts, photocatalysts, electrical/electronic/communication equipment. , energy/environment-related devices, optical devices, and the like.

上述した本実施形態の固体電解質層は、燃料電池、センサ等に特に好適に用いることができる。 The solid electrolyte layer of the present embodiment described above can be particularly suitably used for fuel cells, sensors, and the like.

本実施形態の固体電解質は、例えばセンサとしては、ガスセンサ等の電解質に用いることができる。電解質上に検知したいガスに応じた感応電極を取り付けることにより、ガスセンサまたはガス検知器等を構成できる。たとえば、炭酸塩を含む感応電極を用いた場合に炭酸ガスセンサ、硝酸塩を含む感応電極を用いた場合にNOxセンサ、硫酸塩を含む感応電極を用いた場合にSOxセンサが得られる。また、電解セルを組むことにより、排ガス中に含まれるNOxおよび/またはSOx等の捕集装置または分解装置を構成できる。 The solid electrolyte of the present embodiment can be used, for example, as an electrolyte for a gas sensor as a sensor. A gas sensor, a gas detector, or the like can be constructed by attaching a sensitive electrode corresponding to a gas to be detected on the electrolyte. For example, a carbon dioxide gas sensor is obtained by using a sensitive electrode containing carbonate, a NOx sensor is obtained by using a sensitive electrode containing nitrate, and a SOx sensor is obtained by using a sensitive electrode containing sulfate. Also, by assembling an electrolytic cell, it is possible to construct a device for collecting or decomposing NOx and/or SOx contained in the exhaust gas.

本実施形態の固体電解質または、イオン等の吸着剤または吸着分離剤、または各種触媒等として用いることができる。
本実施形態の固体電解質はまた、イオン伝導体中の各種希土類が発光中心(カラーセンター)を形成する賦活剤として作用する場合がある。この場合、波長変更材料等として用いることができる。
本実施形態の固体電解質はまた、電子キャリアまたは正孔キャリアをドープすることにより、超伝導体になる場合がある。
It can be used as the solid electrolyte of the present embodiment, an adsorbent such as ions, an adsorption/separation agent, or various catalysts.
In the solid electrolyte of this embodiment, various rare earth elements in the ion conductor may also act as an activator to form a luminescent center (color center). In this case, it can be used as a wavelength changing material or the like.
The solid electrolytes of the present embodiments may also be made superconductors by doping with electron or hole carriers.

本実施形態の固体電解質はまた、固体電解質をイオン伝導体とし、その表面に伝導イオンの挿入・脱離によって着色または変色する無機化合物等を付着させ、さらにその上にITO等の透光性電極を形成することにより、全固体型エレクトロクロミック素子を作製することも可能である。この全固体型エレクトロクロミック素子を用いることにより、消費電力が抑制された、メモリー特性を有するエレクトロクロミックディスプレイを提供することができる。 The solid electrolyte of the present embodiment also uses the solid electrolyte as an ionic conductor, adheres to the surface thereof an inorganic compound or the like that is colored or discolored by the insertion/extraction of conductive ions, and furthermore, has a translucent electrode such as ITO on it. It is also possible to fabricate an all-solid-state electrochromic device by forming By using this all-solid-state electrochromic device, an electrochromic display having memory characteristics with reduced power consumption can be provided.

(固体電解質の製造方法)
本実施形態の固体電解質の製造方法は、固相反応法によって前記化合物を製造する。
(Method for producing solid electrolyte)
In the method for producing a solid electrolyte of the present embodiment, the compound is produced by a solid phase reaction method.

固相反応法は、従来知られた工程により行うことができる。例えば、出発原料の元素のモル比が目的の化学組成となるよう混合し、加圧してペレットに成形し、焼成して、六方ペロブスカイト関連化合物とする。
まず、目的の化学組成の元素を含む出発原料を用意する。出発原料はあらかじめ乾燥させておいてもよい。乾燥は電気炉などを用いて、200~1000℃で5~20時間行うことができる。
ついで、出発原料を元素のモル比が目的の化学組成となるよう混合する。モル比の組成は、陽イオンのモル比を目安とすることができる。混合磨砕は適宜行うことができるが、例えばメノウ乳鉢を用いて、乾式の混合磨砕、エタノールを用いた湿式の混合磨砕を併用して、繰り返し0.5~2時間行うことができる。
得られた混合物を、加圧してペレットに成形する。成形は、前記混合物を仮焼した後、加圧して行うことができる。仮焼は電気炉などを用いて、300~1100℃で5~24時間行うことができる。仮焼の後、粉砕および上記の混合磨砕を再度行ってもよい。この混合物を、62~150MPaで、ペレットに成形する。この成形したペレットを、後述の条件で焼成を行う。
The solid phase reaction method can be performed by conventionally known steps. For example, the starting raw materials are mixed so that the molar ratio of the elements of the starting materials becomes the desired chemical composition, pressed to form pellets, and fired to obtain a hexagonal perovskite-related compound.
First, a starting material containing elements having a desired chemical composition is prepared. The starting material may be pre-dried. Drying can be performed at 200 to 1000° C. for 5 to 20 hours using an electric furnace or the like.
The starting materials are then mixed to achieve the desired chemical composition with the molar ratio of the elements. The composition of the molar ratio can be based on the molar ratio of cations. Mixing-grinding can be carried out as appropriate. For example, using an agate mortar, dry mixing-grinding and wet mixing-grinding using ethanol can be repeated for 0.5 to 2 hours.
The resulting mixture is pressed into pellets. Molding can be performed by applying pressure after calcining the mixture. Calcination can be carried out at 300 to 1100° C. for 5 to 24 hours using an electric furnace or the like. After calcination, pulverization and the above mixing and grinding may be performed again. The mixture is formed into pellets at 62-150 MPa. The molded pellets are fired under the conditions described later.

焼成は、前記化合物が一般式(1)で表される化合物であるときは、大気下で300~500℃で2~8時間、続けて500~700℃で6~24時間焼成することが好ましい。
この焼成は350~450℃で3~5時間、続けて550~650℃で11~13時間焼成することがより好ましい。
なお、化合物が一般式(1)で表される化合物であるときは、前記混合磨砕は湿式で行うのが好ましく、前記仮焼の工程を省いても良い。
When the compound is a compound represented by the general formula (1), the compound is preferably fired in the air at 300 to 500°C for 2 to 8 hours and then at 500 to 700°C for 6 to 24 hours. .
More preferably, the firing is carried out at 350-450° C. for 3-5 hours, followed by firing at 550-650° C. for 11-13 hours.
When the compound is a compound represented by the general formula (1), the mixing and grinding is preferably carried out in a wet manner, and the calcination step may be omitted.

前記化合物が一般式(2)又は(3)で表される化合物であるときは、大気下で1500~1700℃で3~24時間焼成する。
この焼成は1550~1650℃で8~13時間焼成することがより好ましい。
When the compound is represented by the general formula (2) or (3), it is calcined at 1500 to 1700° C. for 3 to 24 hours in the atmosphere.
More preferably, the firing is performed at 1550 to 1650° C. for 8 to 13 hours.

これらの製造方法、合成法と焼成条件により、本実施形態の化合物を効果的に製造することができる。特に、(2)の化合物BaLuAlO、BaLu0.9Al1.1については、新物質であり、従来に類似の組成の化合物が存在せず、合成法も確立されておらず、本発明者らが製造条件を検討し見出した。本製造条件は、上記化合物の製造条件としては特に有用なものである。 The compound of the present embodiment can be effectively produced by these production method, synthesis method and firing conditions. In particular, the compounds Ba 2 LuAlO 5 and Ba 2 Lu 0.9 Al 1.1 O 5 of (2) are new substances, and no compounds with similar compositions exist in the past, and no synthesis method has been established. However, the inventors of the present invention investigated and found out the manufacturing conditions. This production condition is particularly useful as the production condition for the above compound.

以下に、実施例を示して本実施形態を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present embodiment will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(試験例1)
(RbGd(MoOの性質検討)
有用な六方ペロブスカイト関連化合物を見出すにあたって、本発明者らは、無機結晶構造データベース内の六方ペロブスカイト関連酸化物529種の中で22番目に低い値を示したRbGd(MoOに注目した。
図6に、BVELによって見積もられたエネルギー障壁(E)のヒストグラムを示す。図に示すように、RbGd(MoOは、既知物質および電子伝導のおそれがある物質を除いてEが最も低かった。このため、有用な化合物の候補としてRbGd(MoOに注目した。
(Test example 1)
(Investigation of properties of Rb5Gd ( MoO4)4 )
In finding useful hexagonal perovskite-related compounds, the present inventors focused on Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 which showed the 22nd lowest value among 529 hexagonal perovskite-related oxides in the inorganic crystal structure database. did.
FIG. 6 shows a histogram of the energy barrier (E b ) estimated by BVEL. As shown in the figure, Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 had the lowest E b excluding known materials and materials with possible electronic conductivity. Therefore, Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 was focused on as a candidate for a useful compound.

(実施例1:RbGd(MoOの合成)
以下の手段を用いて、RbGd(MoO化合物を固相反応法により作製した。出発原料としては、RbCO、Gd、MoOを使用した。あらかじめ出発原料を電気炉にて300℃で6時間乾燥させた後、陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。メノウ乳鉢を用いて、エタノールを用いた湿式の混合磨砕を、繰り返し1時間行った。一軸プレス機を用いて62~150MPaで加圧することで、混合物を直径10mmの円筒状のペレットに成型した。得られたペレットを大気下400℃で4時間、続けて600℃で12時間焼結した。結果、焼結したペレットを得た。
(Example 1: Synthesis of Rb5Gd ( MoO4)4 )
A Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 compound was prepared by a solid phase reaction method using the following means. Rb 2 CO 3 , Gd 2 O 3 and MoO 3 were used as starting materials. The starting materials were dried in advance at 300° C. for 6 hours in an electric furnace, and then weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the desired chemical composition. Using an agate mortar, wet mixed grinding with ethanol was repeated for 1 hour. The mixture was molded into cylindrical pellets with a diameter of 10 mm by pressing at 62-150 MPa using a uniaxial press. The obtained pellets were sintered at 400° C. for 4 hours in air and then at 600° C. for 12 hours. As a result, sintered pellets were obtained.

得られた化合物の生成相を、X線回折(XRD)により評価を行った。前記焼結体の一部をタングステンカーバイド(WC)製の粉砕器で20分粉砕後、メノウ乳鉢で30分~1時間磨砕した。得られた粉末を用いて粉末XRD測定を実施した。粉末X線回析測定
を行い、測定はBRUKER D8、Rietveld解析はZ-Codeで行った。XRD測定の結果を図7に示した。palmierite型構造を持つ三方相によりRietveld解析を行なった。解析から支持された空間群はR-3m、格子定数はa = b = 6.118 Å、c = 21.44 Åであった。
The production phase of the obtained compound was evaluated by X-ray diffraction (XRD). A portion of the sintered body was ground with a tungsten carbide (WC) grinder for 20 minutes and then ground with an agate mortar for 30 minutes to 1 hour. Powder XRD measurement was performed using the obtained powder. Powder X-ray diffraction measurement was performed using BRUKER D8 and Rietveld analysis using Z-Code. FIG. 7 shows the results of XRD measurement. Rietveld analysis was performed with a three-sided phase with a palmierite-type structure. The space group supported by the analysis was R-3m, with lattice constants a = b = 6.118 Å and c = 21.44 Å.

(RbGd(MoOの電気伝導度の測定)
得られた実施例1の化合物の全電気伝導度を、直流4端子法により測定した。一軸加圧により5mmφのペレットに成型し、600℃で12時間焼結して、伝導度測定用試料を作製した。直流四端子法では、焼結体に四本の白金線を巻きつけ、サンプルと白金線を密着させるために白金線上に白金ペーストを塗った。白金ペーストに含まれる有機物成分を取り除くために、600℃で1時間加熱した。測定温度範囲は200~650℃、乾燥空気下(100mL/min,水蒸気分圧:<10-6atm)で測定した。
(Measurement of electrical conductivity of Rb5Gd ( MoO4)4 )
The total electrical conductivity of the obtained compound of Example 1 was measured by a DC four-probe method. A pellet having a diameter of 5 mm was formed by uniaxial pressing and sintered at 600° C. for 12 hours to prepare a sample for conductivity measurement. In the direct current four-terminal method, four platinum wires were wound around the sintered body, and platinum paste was applied to the platinum wires in order to adhere the sample to the platinum wires. The platinum paste was heated at 600° C. for 1 hour to remove organic substances contained in the platinum paste. Measurement temperature range was 200 to 650° C., and measurement was performed under dry air (100 mL/min, water vapor partial pressure: <10 −6 atm).

結果を図8に示す。300℃においてRbGd(MoOのσtotはYSZのσと同程度であった。RbGd(MoOは306℃でσtot=5.8×10-6(Scm-1)、YSZは300℃でσ=5.0×10-6(Scm-1)である。この結果により、RbGd(MoOは従来知られた実用材料のYSZと同程度の電気伝導度を示す材料であることが示された。 The results are shown in FIG. At 300° C., σ tot of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 was comparable to σ b of YSZ. Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 has σ tot =5.8×10 −6 (Scm −1 ) at 306° C. and YSZ has σ b =5.0×10 −6 (Scm −1 ) at 300° C. . This result indicates that Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 is a material exhibiting electrical conductivity comparable to that of YSZ, which is a conventionally known practical material.

(RbGd(MoOの全電気伝導度の酸素分圧依存性)
ついで、実施例1の全電気伝導度の酸素分圧依存性を測定した。サンプルは上述の(全電気伝導度測定)と同様に準備した。また酸素Oガス、窒素Nガス、N/H混合ガスを用いて酸素分圧を制御した。装置下流に設置した酸素センサを用いて酸素分圧をモニターした。N/H混合ガスを窒素ガスに少量混合することによって酸素分圧を制御した。
横軸の酸素分圧log10[P(O)/atm]に対して、測定した電気伝導度log10[σtоt(Scm-1)]を縦軸にプロットした。
全電気伝導度を各温度、酸素分圧ごとに測定を行った結果を図9に示す。RbGd(MoOに対する全電気伝導度の酸素分圧依存性の測定から、650℃:5.0×10-21~0.10atm、500℃:6.9×10-21~0.01atm、400℃:1.8×10-21~0.99atmの領域でそれぞれ電解質領域が観察された。この化合物は、電子伝導およびホール伝導に比べイオン伝導が支配的であることが示唆された。この化合物は、10-21~0.1気圧の範囲で広い電解質領域を持ち、安定性では従来知られる酸化ビスマスやセリア系材料を凌駕し、実用性が高いことが示唆された。
(Oxygen partial pressure dependence of total electrical conductivity of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 )
Next, the oxygen partial pressure dependence of the total electrical conductivity of Example 1 was measured. Samples were prepared as described above (total conductivity measurement). Oxygen O 2 gas, nitrogen N 2 gas, and N 2 /H 2 mixed gas were used to control the oxygen partial pressure. Oxygen partial pressure was monitored using an oxygen sensor installed downstream of the apparatus. The oxygen partial pressure was controlled by mixing a small amount of the N2 /H2 gas mixture into the nitrogen gas.
The measured electrical conductivity log 10 [σ t t ( Scm -1 )] is plotted on the vertical axis against the oxygen partial pressure log 10 [P(O 2 )/atm] on the horizontal axis.
FIG. 9 shows the results of measuring the total electrical conductivity for each temperature and oxygen partial pressure. From the measurement of the oxygen partial pressure dependence of the total electrical conductivity for Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 , 650° C.: 5.0×10 −21 to 0.10 atm, 500° C.: 6.9×10 −21 to 0 .01 atm, 400° C.: Electrolyte regions were observed in the regions of 1.8×10 −21 to 0.99 atm. It was suggested that ionic conduction is more dominant than electron conduction and hole conduction in this compound. This compound has a wide electrolyte region in the range of 10 -21 to 0.1 atm, and has a stability superior to that of conventionally known bismuth oxide and ceria-based materials, suggesting that it is highly practical.

(RbGd(MoOのUV-visスペクトルの測定)
図10に、得られた実施例1の化合物についてUV-visスペクトルの測定を行った結果(Taucプロット)を示す。UV-Visスペクトルの測定結果から直接遷移を仮定してRbGd(MoOのバンドギャップを見積もった。直接遷移を仮定した際のRbGd(MoOのバンドギャップは4.32eVと見積もられた。この結果から、RbGd(MoOは真性半導体でないことが示唆された。
(Measurement of UV-vis spectrum of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 )
FIG. 10 shows the results (Tauc plot) of UV-vis spectrum measurement of the compound of Example 1 obtained. The bandgap of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 was estimated by assuming a direct transition from the measurement results of the UV-Vis spectrum. The bandgap of Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 assuming direct transition was estimated to be 4.32 eV. This result suggested that Rb 5 Gd(MoO 4 ) 4 is not an intrinsic semiconductor.

(試験例2)
(実施例2:BaSc0.83Al1.17の合成)
以下の手段を用いて、BaSc0.83Al1.17(α-BaScAlO)化合物を固相反応法により作製した。出発原料としては、BaCO、Sc、Alを使用した。あらかじめ出発原料を電気炉にて300℃で10時間乾燥させた後、陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。メノウ乳鉢を用いて、乾式の混合磨砕、およびエタノールを用いた湿式の混合磨砕を、繰り返し1時間~2時間行った。得られた混合物を、電気炉を用い、大気下900℃~1000℃で10~12時間仮焼した。仮焼した混合物を、メノウ乳鉢にてエタノールを用いた湿式の混合磨砕、乾式の混合磨砕を、30分~2時間の間繰り返し行った。一軸プレス機を用いて62~150MPaで加圧することで、混合物を直径20mmの円筒状のペレットに成型した。得られたペレットを電気炉に入れ、大気下にて1600℃で10時間焼結した。その結果、焼結体であるペレットを得た。
(Test example 2)
( Example 2 : Synthesis of Ba2Sc0.83Al1.17O5 )
A Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 (α-Ba 2 ScAlO 5 ) compound was produced by a solid phase reaction method using the following means. BaCO 3 , Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 were used as starting materials. The starting materials were dried in advance at 300° C. for 10 hours in an electric furnace, and then weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the desired chemical composition. Using an agate mortar, dry mixed-grinding and wet mixed-grinding with ethanol were repeated for 1 to 2 hours. The resulting mixture was calcined in an electric furnace at 900° C. to 1000° C. for 10 to 12 hours. The calcined mixture was repeatedly subjected to wet mixed grinding and dry mixed grinding using ethanol in an agate mortar for 30 minutes to 2 hours. The mixture was molded into cylindrical pellets with a diameter of 20 mm by pressing at 62-150 MPa using a uniaxial press. The obtained pellets were placed in an electric furnace and sintered at 1600° C. for 10 hours in the atmosphere. As a result, pellets, which are sintered bodies, were obtained.

得られた実施例2の化合物の生成相を、X線回折(XRD)により評価を行った。前記焼結体の一部をタングステンカーバイド(WC)製の粉砕器で20分粉砕後、メノウ乳鉢で30分~1時間磨砕した。粉末X線回析測定は上記機器及び条件と同じで行った。このXRD測定の結果を図11に示した。空間群P6/mmcでa = 5.778 Å, c = 14.54 Åであった。測定結果のBaSc0.83Al1.17に加えて、計算予想であるα-BaScAlOsimulationも示した。計算予想と測定結果がほぼ同じ結果を示し、予想した化合物が得られていることが示された。 The production phase of the obtained compound of Example 2 was evaluated by X-ray diffraction (XRD). A portion of the sintered body was ground with a tungsten carbide (WC) grinder for 20 minutes and then ground with an agate mortar for 30 minutes to 1 hour. Powder X-ray diffraction measurements were performed using the same equipment and conditions as described above. The results of this XRD measurement are shown in FIG. a = 5.778 Å and c = 14.54 Å in space group P6 3 /mmc. In addition to Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 as a measurement result, α-Ba 2 ScAlO 5 simulation as a calculation prediction is also shown. The calculation prediction and the measurement result showed almost the same result, indicating that the expected compound was obtained.

(実施例3:BaScAlOの合成)
以下の手段を用いて、BaScAlO(β-BaScAlO)化合物を固相反応法により作製した。出発原料としては、BaCO、Sc、Alを使用した。あらかじめ出発原料を電気炉にて300℃で10時間乾燥させた後、陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。メノウ乳鉢を用いて、乾式の混合磨砕、およびエタノールを用いた湿式の混合磨砕を、繰り返し1時間~2時間行った。得られた混合物を、電気炉を用い、大気下900℃~1000℃で10~12時間仮焼した。仮焼した混合物を、メノウ乳鉢にてエタノールを用いた湿式の混合磨砕、乾式の混合磨砕を、30分~2時間の間繰り返し行った。一軸プレス機を用いて62~150MPaで加圧することで、混合物を直径20mmの円筒状のペレットに成型した。得られたペレットを電気炉に入れ、大気下にて1600℃で10時間焼結した。その結果、焼結体であるペレットを得た。
(Example 3 : Synthesis of Ba2ScAlO5 )
A Ba 2 ScAlO 5 (β-Ba 2 ScAlO 5 ) compound was prepared by a solid phase reaction method using the following means. BaCO 3 , Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 were used as starting materials. The starting materials were dried in advance at 300° C. for 10 hours in an electric furnace, and then weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the desired chemical composition. Using an agate mortar, dry mixed-grinding and wet mixed-grinding with ethanol were repeated for 1 to 2 hours. The resulting mixture was calcined in an electric furnace at 900° C. to 1000° C. for 10 to 12 hours. The calcined mixture was repeatedly subjected to wet mixed grinding and dry mixed grinding using ethanol in an agate mortar for 30 minutes to 2 hours. The mixture was molded into cylindrical pellets with a diameter of 20 mm by pressing at 62-150 MPa using a uniaxial press. The obtained pellets were placed in an electric furnace and sintered at 1600° C. for 10 hours in the atmosphere. As a result, pellets, which are sintered bodies, were obtained.

得られた化合物の生成相を、X線回折(XRD)により評価を行った。前記焼結体の一部をタングステンカーバイド(WC)製の粉砕器で20分粉砕後、メノウ乳鉢で30分~1時間磨砕した。粉末X線回析測定は上記機器及び条件と同じで行った。このXRD測定の結果を図12に示した。空間群P6/mmcでa = 5.806 Å, c = 19.46 Åであった。測定結果のBaScAlOに加えて、計算予想であるβ-BaScAlOsimulationも示した。計算予想と測定結果がほぼ同じ結果を示し、予想した化合物が得られていることが示された。 The production phase of the obtained compound was evaluated by X-ray diffraction (XRD). A portion of the sintered body was ground with a tungsten carbide (WC) grinder for 20 minutes and then ground with an agate mortar for 30 minutes to 1 hour. Powder X-ray diffraction measurements were performed using the same equipment and conditions as described above. The results of this XRD measurement are shown in FIG. It was a = 5.806 Å and c = 19.46 Å in the space group P6 3 /mmc. In addition to Ba 2 ScAlO 5 as a measurement result, β-Ba 2 ScAlO 5 simulation as a calculation prediction is also shown. The calculation prediction and the measurement result showed almost the same result, indicating that the expected compound was obtained.

(BaSc0.83Al1.175、BaScAlOの電気伝導度)
得られた実施例2、3の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定温度範囲は200~1200℃、σwet:湿潤空気中(P(HO)=0.02atm)、σdry: 乾燥空気中(P(HO)<10-5atm)でそれぞれ測定した。
結果を図13に示す。なお、図はアレニウスプロットで、図中の「α-BaScAlO」はBaSc0.83Al1.175、「β-BaScAlO」はBaScAlOである。図の結果より、湿潤空気中では乾燥空気中よりも伝導度が向上しており,プロトン伝導が示唆された。
( Electrical conductivity of Ba2Sc0.83Al1.17O5 , Ba2ScAlO5 )
The temperature dependence of the total electrical conductivity of the obtained compounds of Examples 2 and 3 was examined. The total electrical conductivity was measured by the DC 4-probe method, the measurement temperature range was 200 to 1200 ° C., σ wet : in moist air (P (H 2 O) = 0.02 atm), σ dry : in dry air (P ( H 2 O)<10 −5 atm), respectively.
The results are shown in FIG. The figure is an Arrhenius plot, in which "α-Ba 2 ScAlO 5 " is Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 and "β-Ba 2 ScAlO 5 " is Ba 2 ScAlO 5 . From the results in the figure, the conductivity in wet air was higher than in dry air, suggesting proton conduction.

(BaSc0.83Al1.175、BaScAlOの電気伝導度の酸素分圧依存性)
ついで、電気伝導度を各温度、酸素分圧ごとに測定を行った結果を図15に示す。酸素分圧については試験例1と同様に測定を行った。図14(a)中の「α-BaScAlO」は実施例2のBaSc0.83Al1.175、図14(b)中の「β-BaScAlO」は実施例3のBaScAlOである。湿潤雰囲気下では、酸素分圧が10-5気圧以下では酸素分圧によらず伝導度がほぼ一定であり、電子およびホール伝導の寄与が小さく、プロトン伝導が示唆された。
(Dependence of electrical conductivity of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 and Ba 2 ScAlO 5 on oxygen partial pressure)
Next, FIG. 15 shows the results of measuring the electrical conductivity for each temperature and oxygen partial pressure. The oxygen partial pressure was measured in the same manner as in Test Example 1. “α-Ba 2 ScAlO 5 ” in FIG. 14(a) is Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 of Example 2, and “β-Ba 2 ScAlO 5 ” in FIG. Ba 2 ScAlO 5 of Example 3. In a moist atmosphere, the conductivity was almost constant at an oxygen partial pressure of 10 −5 atmospheres or less, and the contribution of electron and hole conduction was small, suggesting proton conduction.

(BaScAlOの輸率評価)
実施例2のBaScAlOのプロトン伝導度について酸素分圧が10-20気圧で乾燥雰囲気および湿潤雰囲気における全電気伝導度の測定結果を図15(a)、プロトン輸率について図15(b)に示した。β-BaScAlOの電解質領域(P(O)~10-20atm)での全電気伝導度の温度依存性200~600℃で下式で計算された輸率が99%以上であり,プロトン伝導度が支配的であると考えられる。湿潤雰囲気における全電気伝導度σwetと乾燥雰囲気における全電気伝導度σdryを用いてプロトン伝導度σH+とプロトン輸率tH+を次の式で見積もった。
H+ = σH+ / σwet = (σwet - σdry) / σwet
( Transfer number evaluation of Ba2ScAlO5 )
The proton conductivity of Ba 2 ScAlO 5 of Example 2 is shown in FIG. )Pointing out toungue. Temperature dependence of total electrical conductivity in the electrolyte region (P(O 2 ) ~ 10 -20 atm) of β-Ba 2 ScAlO 5 The transference number calculated by the following formula at 200 ~ 600 ° C. , the proton conductivity is considered to be dominant. The proton conductivity σ H+ and the proton transport number t H+ were estimated by the following equations using the total electrical conductivity σ wet in the wet atmosphere and the total electrical conductivity σ dry in the dry atmosphere.
t H+ = σ H+ / σ wet = (σ wet - σ dry) / σ wet

さらに、実施例2、3のBaSc0.83Al1.175、BaScAlOのプロトン伝導度を従来の伝導体と比較したアレニウスプロットを図16に示した。縦軸について、σH+ = σwet - σdryである。従来技術における代表的なプロトン伝導体、例えばLa0.8Ba1.2GaO3.9 (LBGO)、La0.99Ca0.01NbO3.995 (LaNbO)、La2627(BO (LBO)、La5.4MoO11.1 (LMO)、又はLa0.9Sr0.1PO3.95 (LaPO)と比べても、きわめて高い値を示すことが示された。 Further, FIG. 16 shows an Arrhenius plot comparing the proton conductivity of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 and Ba 2 ScAlO 5 of Examples 2 and 3 with that of a conventional conductor. For the vertical axis, σ H+ = σ wet - σ dry . Typical proton conductors in the prior art such as La0.8Ba1.2GaO3.9 ( LBGO ), La0.99Ca0.01NbO3.995 ( LaNbO4 ), La26O27 ( BO 3 ) 8 (LBO), La 5.4 MoO 11.1 (LMO), or La 0.9 Sr 0.1 PO 3.95 (LaPO 4 ). rice field.

(試験例3)
(実施例4:BaLuAlOの合成)
以下の手段を用いて、BaLuAlO化合物を固相反応法により作製した。出発原料としては、BaCO、Lu、Alを使用した。あらかじめ出発原料を電気炉にて300℃で2~14時間乾燥させた後、陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。メノウ乳鉢を用いて、乾式の混合磨砕、およびエタノールを用いた湿式の混合磨砕を、繰り返し1時間~2時間行った。得られた混合物を、電気炉を用い、大気下900℃~1000℃で10~12時間仮焼した。仮焼した混合物を、メノウ乳鉢にてエタノールを用いた湿式の混合磨砕、乾式の混合磨砕を、30分~2時間の間繰り返し行った。一軸プレス機を用いて62~150MPaで加圧することで、混合物を直径10~20mmの円筒状のペレットに成型した。得られたペレットを電気炉に入れ、大気下にて1600℃で10時間焼結した。その結果、焼結体であるペレットを得た。
(Test example 3)
(Example 4 : Synthesis of Ba2LuAlO5 )
A Ba 2 LuAlO 5 compound was prepared by a solid state reaction method using the following means. BaCO 3 , Lu 2 O 3 and Al 2 O 3 were used as starting materials. The starting materials were dried in advance at 300° C. in an electric furnace for 2 to 14 hours, and then weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the desired chemical composition. Using an agate mortar, dry mixed-grinding and wet mixed-grinding with ethanol were repeated for 1 to 2 hours. The resulting mixture was calcined in an electric furnace at 900° C. to 1000° C. for 10 to 12 hours. The calcined mixture was repeatedly subjected to wet mixed grinding and dry mixed grinding using ethanol in an agate mortar for 30 minutes to 2 hours. The mixture was molded into cylindrical pellets with a diameter of 10-20 mm by pressing at 62-150 MPa using a uniaxial press. The obtained pellets were placed in an electric furnace and sintered at 1600° C. for 10 hours in the atmosphere. As a result, pellets, which are sintered bodies, were obtained.

得られた化合物の生成相をX線回折(XRD)により評価を行った。焼結体の一部をタングステンカーバイド(WC)製の粉砕器で20分粉砕後、メノウ乳鉢で30分~1時間磨砕した。粉末X線回析測定は上記機器及び条件と同じで行った。このXRD測定の結果を図17に示した。空間群P6/mmcでa = 5.927 Å, c = 19.82 Åであった。 The production phase of the obtained compound was evaluated by X-ray diffraction (XRD). A portion of the sintered body was ground with a tungsten carbide (WC) grinder for 20 minutes, and then ground with an agate mortar for 30 minutes to 1 hour. Powder X-ray diffraction measurements were performed using the same equipment and conditions as described above. The results of this XRD measurement are shown in FIG. It was a = 5.927 Å and c = 19.82 Å in the space group P6 3 /mmc.

(BaLuAlOの電気伝導度)
得られた実施例4の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定範囲は300~1200℃、全電気伝導度の温度依存性およびP(O)依存性(相対密度~73%)でσwet: 湿潤空気中(P(HO) = 0.021 atm)σdry: 乾燥空気中(P(HO) < 10-5 atm)とした。
結果を図18に示す。なお、図はアレニウスプロットである。図の結果より、湿潤空気中では乾燥空気中よりも伝導度が向上しており,プロトン伝導が示唆された。
( Electrical conductivity of Ba2LuAlO5 )
The temperature dependence of the total electrical conductivity of the obtained compound of Example 4 was examined. The total electrical conductivity was measured by the direct current 4-probe method, the measurement range was 300 to 1200°C, the temperature dependence of the total electrical conductivity and the P(O 2 ) dependence (relative density ~ 73%) σ wet : wet air Medium (P(H 2 O) = 0.021 atm) σ dry : In dry air (P(H 2 O) < 10 -5 atm).
The results are shown in FIG. The figure is an Arrhenius plot. From the results in the figure, the conductivity in wet air was higher than in dry air, suggesting proton conduction.

(BaLuAlOの電気伝導度の酸素分圧依存性)
ついで、実施例4の全電気伝導度を湿潤雰囲気で、図中の各温度、酸素分圧ごとに測定を行った結果を図19に示す。酸素分圧については試験例1と同様に測定を行った。湿潤雰囲気下では、酸素分圧によらず伝導度がほぼ一定であり、電子およびホール伝導の寄与が小さく、プロトン伝導が示唆された。
( Oxygen partial pressure dependence of electrical conductivity of Ba2LuAlO5 )
Next, FIG. 19 shows the results of measuring the total electrical conductivity of Example 4 in a humid atmosphere at each temperature and oxygen partial pressure in the figure. The oxygen partial pressure was measured in the same manner as in Test Example 1. In a moist atmosphere, the conductivity was almost constant regardless of the partial pressure of oxygen, and the contribution of electron and hole conduction was small, suggesting proton conduction.

(BaLuAlOの輸率評価)
湿潤空気中と乾燥空気中での実施例4のBaLuAlOの全電気伝導度の差によりプロトン伝導度を見積もり、その値を用いて計算した輸率の結果を図20に示した。BaLuAlOは、およそ200~800℃の範囲でプロトン輸率が高く、主たるキャリアがプロトンである。特に200~600℃では温度が上昇してもプロトン輸率の低下がほぼ見られなかった。
( Transfer number evaluation of Ba2LuAlO5 )
The proton conductivity was estimated from the difference in the total electrical conductivity of Ba 2 LuAlO 5 of Example 4 in wet air and dry air, and the results of the transference number calculated using this value are shown in FIG. Ba 2 LuAlO 5 has a high proton transference number in the range of about 200 to 800° C., and protons are the main carrier. Especially at 200 to 600°C, almost no decrease in proton transference number was observed even when the temperature was increased.

また、BaLuAlO(実施例4)及びBaLu0.9Al1.1(実施例5)について、湿潤空気中と乾燥空気中での全電気伝導度の差から見積もったプロトン伝導度を、従来の伝導体と比較したものを図21に示した。実施例5のBaLu0.9Al1.1は、合成時の混合比の他はBaLuAlOと同様に合成した。縦軸について、σH+ =σwet-σdryである。いずれも、従来技術における代表的なプロトン伝導体、BaCe0.90.12.95にほぼ劣らない値を示し、特に低温においては上回る値を示した。また、例えばLa0.8Ba1.2GaO3.9 (LBGO)、La5.4MoO11.1 (LMO)、又はLa0.9Sr0.1PO3.95 (LaPO)と比べても、きわめて高い値を示すことが示された。特に、Lu/Al比を変えたBaLu0.9Al1.1については、400℃以下の低温においてBaCe0.90.12.95を上回り、有用性が示された。 Also, for Ba 2 LuAlO 5 (Example 4) and Ba 2 Lu 0.9 Al 1.1 O 5 (Example 5), the proton capacity estimated from the difference in total electrical conductivity in wet air and dry air A comparison of conductivity with a conventional conductor is shown in FIG. Ba 2 Lu 0.9 Al 1.1 O 5 of Example 5 was synthesized in the same manner as Ba 2 LuAlO 5 except for the mixing ratio during synthesis. For the vertical axis, σ H+wetdry . All of them showed values almost comparable to BaCe 0.9 Y 0.1 O 2.95 , a typical proton conductor in the prior art, and showed values exceeding particularly at low temperatures. Also compared to , for example, La0.8Ba1.2GaO3.9 ( LBGO ), La5.4MoO11.1 ( LMO ), or La0.9Sr0.1PO3.95 ( LaPO4 ) However, it was shown to show extremely high values. In particular, Ba 2 Lu 0.9 Al 1.1 O 5 with a different Lu/Al ratio exceeds BaCe 0.9 Y 0.1 O 2.95 at a low temperature of 400° C. or lower, showing usefulness. rice field.

(試験例4)
(実施例6:BaScAl19の合成)
以下の手段を用いて、BaScAl19化合物を固相反応法により作製した。出発原料としては、BaCO、Sc、Alを使用した。あらかじめ出発原料を電気炉にて300℃で3~14時間乾燥させた後、陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。メノウ乳鉢を用いて、乾式の混合磨砕、およびエタノールを用いた湿式の混合磨砕を、繰り返し1時間~2時間行った。得られた混合物を、電気炉を用い、大気下900℃~1000℃で10~12時間仮焼した。仮焼した混合物を、メノウ乳鉢にてエタノールを用いた湿式の混合磨砕、乾式の混合磨砕を、30分~2時間の間繰り返し行った。一軸プレス機を用いて62~150MPaで加圧することで、混合物を直径10~20mmの円筒状のペレットに成型した。得られたペレットを電気炉に入れ、大気下にて1600℃で10時間焼結し、急冷した。その結果、焼結したペレットを得た。
(Test example 4)
( Example 6 : Synthesis of Ba7Sc6Al2O19 )
A Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 compound was prepared by a solid phase reaction method using the following means. BaCO 3 , Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 were used as starting materials. The starting materials were dried in advance at 300° C. in an electric furnace for 3 to 14 hours, and then weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the desired chemical composition. Using an agate mortar, dry mixed-grinding and wet mixed-grinding with ethanol were repeated for 1 to 2 hours. The resulting mixture was calcined in an electric furnace at 900° C. to 1000° C. for 10 to 12 hours. The calcined mixture was repeatedly subjected to wet mixed grinding and dry mixed grinding using ethanol in an agate mortar for 30 minutes to 2 hours. The mixture was molded into cylindrical pellets with a diameter of 10-20 mm by pressing at 62-150 MPa using a uniaxial press. The pellets thus obtained were placed in an electric furnace, sintered at 1600° C. for 10 hours in the atmosphere, and then rapidly cooled. As a result, sintered pellets were obtained.

得られた化合物の生成相をX線回折(XRD)により評価するため、焼結体の一部をタングステンカーバイド(WC)製の粉砕器で20分粉砕後、メノウ乳鉢で30分~1時間磨砕した。このXRD測定の結果を図22に示した。空間群 P6/mmcでa = 5.806 Å, c = 35.25 Åであった。測定結果のBaScAl19に加えて、計算予想であるsimulationも示した。計算予想と測定結果がほぼ同じ結果を示し、予想した化合物が得られていることが示された。 In order to evaluate the production phase of the obtained compound by X-ray diffraction (XRD), part of the sintered body was pulverized with a tungsten carbide (WC) pulverizer for 20 minutes and then ground with an agate mortar for 30 minutes to 1 hour. crushed. The results of this XRD measurement are shown in FIG. a = 5.806 Å and c = 35.25 Å in the space group P6 3 /mmc. In addition to Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 as a measurement result, a simulation as a calculation prediction is also shown. The calculation prediction and the measurement result showed almost the same result, indicating that the expected compound was obtained.

(BaScAl19の電気伝導度)
得られた実施例6の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定範囲は300~1200℃、全電気伝導度の温度依存性およびP(O)依存性(相対密度~76%)でσwet: 湿潤空気中(P(HO) = 0.021 atm)σdry: 乾燥空気中(P(HO) < 10-5 atm)とした。
結果を図23に示す。なお、図はアレニウスプロットである。図の結果より、湿潤雰囲気では乾燥雰囲気よりも伝導度が向上しており,プロトン伝導が示唆された。
( Electrical conductivity of Ba7Sc6Al2O19 )
The temperature dependence of the total electrical conductivity of the obtained compound of Example 6 was examined. The total electrical conductivity was measured by the DC 4-probe method, the measurement range was 300 to 1200°C, the temperature dependence of the total electrical conductivity and the P(O 2 ) dependence (relative density ~ 76%) σ wet : wet air Medium (P(H 2 O) = 0.021 atm) σ dry : In dry air (P(H 2 O) < 10 -5 atm).
The results are shown in FIG. The figure is an Arrhenius plot. From the results in the figure, the conductivity in the wet atmosphere was higher than that in the dry atmosphere, suggesting proton conduction.

(BaScAl19の酸素分圧依存性)
ついで、実施例6について全電気伝導度を各温度、酸素分圧ごとに測定を行った結果を図24に示す。酸素分圧については試験例1と同様に測定を行った。酸素分圧によらず伝導度がほぼ一定の酸素分圧範囲(電解質領域)があり、電子およびホール伝導の寄与が小さく、プロトン伝導が示唆された。
(Dependence of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 on oxygen partial pressure)
Next, FIG. 24 shows the results of measuring the total electrical conductivity of Example 6 for each temperature and oxygen partial pressure. The oxygen partial pressure was measured in the same manner as in Test Example 1. There is an oxygen partial pressure range (electrolyte region) where the conductivity is almost constant regardless of the oxygen partial pressure, and the contribution of electron and hole conduction is small, suggesting proton conduction.

さらに、実施例6のBaScAl19のプロトン伝導度を従来の伝導体と比較したものを図25に示した。縦軸について、σH+ =σwet-σdryである。従来技術における代表的なプロトン伝導体、BaCe0.90.12.95にほぼ劣らない値を示し、特に450℃以下の低温においては上回る値を示した。また、従来技術における代表的なプロトン伝導体、例えばLa0.8Ba1.2GaO3.9 (LBGO)、La5.4MoO11.1 (LMO)、又はLa0.9Sr0.1PO3.95 (LaPO)と比べても、きわめて高い値を示すことが示された。 Further, FIG. 25 shows a comparison of the proton conductivity of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 of Example 6 with that of a conventional conductor. For the vertical axis, σ H+wetdry . It showed a value almost comparable to BaCe 0.9 Y 0.1 O 2.95 , a typical proton conductor in the prior art, and showed a higher value especially at a low temperature of 450° C. or lower. Also, representative proton conductors in the prior art, such as La0.8Ba1.2GaO3.9 ( LBGO ), La5.4MoO11.1 ( LMO ), or La0.9Sr0.1 It was shown to show extremely high values even when compared with PO 3.95 (LaPO 4 ).

(試験例5)
(実施例7:RbBi(MoOの合成)
以下の手段を用いて、RbBi(MoO化合物を固相反応法により作製した。
出発原料としては、RbCO、MoO、Bi(化学量論比)を使用した。出発原料はいずれも高純度化学のものを使用した。陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。焼結を、400℃で4時間、ついで590℃で12時間行った他は、実施例1と同様の条件で合成を行った。
(Test Example 5)
(Example 7: Synthesis of Rb5Bi ( MoO4)4 )
A Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 compound was prepared by a solid phase reaction method using the following means.
Rb 2 CO 3 , MoO 3 , Bi 2 O 3 (stoichiometric ratio) were used as starting materials. All starting materials were of high purity chemistry. It was weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the target chemical composition. Synthesis was carried out under the same conditions as in Example 1, except that the sintering was carried out at 400° C. for 4 hours and then at 590° C. for 12 hours.

(実施例8:RbPr(MoOの合成)
以下の手段を用いて、RbPr(MoO化合物を固相反応法により作製した。
出発原料としては、RbCO、MoO、Pr11(化学量論比)を使用した。出発原料はいずれも高純度化学のものを使用した。陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。焼結を、400℃で24時間、ついで650℃で24時間行った他は、実施例1と同様に合成した。
(Example 8: Synthesis of Rb5Pr ( MoO4)4 )
A Rb 5 Pr(MoO 4 ) 4 compound was prepared by a solid phase reaction method using the following means.
Rb 2 CO 3 , MoO 3 , Pr 6 O 11 (stoichiometric ratio) were used as starting materials. All starting materials were of high purity chemistry. It was weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the target chemical composition. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 1, except that sintering was carried out at 400° C. for 24 hours and then at 650° C. for 24 hours.

また、参考例として、RbA(MoOにおいてAがLa、Nd、Sm、Eu、Gd、Tbの化合物を、同様に固相合成法により合成した。
図26に、540℃での中性子回折実験で得られたピークパターンを基に得たRbBi(MoOの結晶構造の模式図を示した。
Further, as a reference example, a compound in which A is La, Nd, Sm, Eu, Gd, or Tb in Rb 5 A(MoO 4 ) 4 was similarly synthesized by the solid-phase synthesis method.
FIG. 26 shows a schematic diagram of the crystal structure of Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 obtained based on the peak pattern obtained in the neutron diffraction experiment at 540°C.

得られた化合物に対して、実験室系粉末XRD測定を実施した。
図27に実施例7のRbBi(MoO化合物、図28にRbPr(MoO化合物の、それぞれの実験室系XRDピークパターンを示した。
また、図29にRbLa(MoO化合物、図30にRbNd(MoO化合物、図31にRbSm(MoO化合物、図32にRbEu(MoO化合物、図33にRbTb(MoO化合物の、それぞれの参考例の実験室系XRDピークパターンを示した。それぞれの化合物が主相で得られたことが確認できた。
A laboratory powder XRD measurement was performed on the resulting compound.
FIG. 27 shows the Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 compound of Example 7, and FIG. 28 shows the laboratory system XRD peak patterns of the Rb 5 Pr(MoO 4 ) 4 compound.
29 shows Rb 5 La(MoO 4 ) 4 compound, FIG. 30 shows Rb 5 Nd ( MoO 4 ) 4 compound, FIG. 31 shows Rb 5 Sm ( MoO 4 ) 4 compound, and FIG. ) 4 compounds, and FIG. 33 shows laboratory XRD peak patterns of reference examples of Rb 5 Tb(MoO 4 ) 4 compounds. It was confirmed that each compound was obtained as the main phase.

(RbBi(MoOの電気伝導度)
得られた実施例7の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定範囲は50~570℃とした。
図34に結果を示す。なお、図はアレニウスプロットである。また、参考例のRbA(MoOにおいてAがLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tbの化合物をあわせて示した。すなわち、図中の「Bi」が実施例7のプロットである。図の結果より、式中のAがBiである場合、他の陽イオンである場合に比べて、電気伝導度が高いことが示された。
また、A=La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tbの各化合物は、AがBiである場合よりはわずかに低い伝導度を示しているが、いずれも利用可能性はある範囲であると考えられる。
(Electrical conductivity of Rb5Bi ( MoO4)4 )
The temperature dependence of the total electrical conductivity of the obtained compound of Example 7 was examined. The total electrical conductivity was measured by the direct current four-probe method, and the measurement range was 50 to 570°C.
The results are shown in FIG. The figure is an Arrhenius plot. Compounds in which A is La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and Tb in Rb 5 A(MoO 4 ) 4 of Reference Examples are also shown. That is, "Bi" in the figure is the plot of Example 7. The results in the figure show that when A in the formula is Bi, the electrical conductivity is higher than when it is other cations.
In addition, each compound where A = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and Tb shows a slightly lower conductivity than when A is Bi, but all of them have some applicability. It is believed that there is.

(RbBi(MoOの酸素分圧依存性)
図35に、実施例7について全電気伝導度を各温度、酸素分圧ごとに測定を行った結果を示す。酸素分圧については試験例1と同様に測定を行った。酸素分圧によらず伝導度がほぼ一定の酸素分圧範囲(電解質領域)であった。
(Dependence of Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 on oxygen partial pressure)
FIG. 35 shows the results of measuring the total electrical conductivity for Example 7 at each temperature and each oxygen partial pressure. The oxygen partial pressure was measured in the same manner as in Test Example 1. The oxygen partial pressure range (electrolyte region) was such that the conductivity was almost constant regardless of the oxygen partial pressure.

図36に、Tubandt法により見積もったRbBi(MoOにおけるRbとO2-の輸率を示す。O2-の輸率が高く、RbBi(MoO化合物においては、主にO2-が伝導種であることが示唆された。 FIG. 36 shows the transference numbers of Rb + and O 2− in Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 estimated by the Tubandt method. O 2- has a high transference number, suggesting that O 2- is mainly the conducting species in the Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 compound.

図37に、交流インピーダンス法により見積もった、RbBi(MoOおけるバルク伝導度(σbulk)と粒界伝導度(σgb)の関係を示した。直流四端子法による伝導度(σDC)も示した。図示するように、粒界伝導度や直流四端子法による伝導度よりもバルク伝導度が高い(σbulk>σgb)という結果が得られた。 FIG. 37 shows the relationship between bulk conductivity (σ bulk ) and grain boundary conductivity (σ gb ) in Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 estimated by the AC impedance method. The conductivity (σ DC ) by the DC four-terminal method is also shown. As shown in the figure, a result was obtained that the bulk conductivity was higher than the grain boundary conductivity and the conductivity by the direct current four-terminal method (σ bulkgb ).

図38に、RbBi(MoOと種々の酸化物イオン伝導体に関するバルク伝導度の比較を示した。図中の既知の酸化物イオン伝導体に対して、いずれの温度域でもRbBi(MoOのバルク伝導度が高いことが示された。 FIG. 38 shows a bulk conductivity comparison for Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 and various oxide ion conductors. It was shown that the bulk conductivity of Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 is higher in any temperature range than known oxide ion conductors in the figure.

(RbPr(MoOの電気伝導度)
実施例8の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定範囲は200~650℃とした。
(Electrical conductivity of Rb5Pr ( MoO4)4 )
For the compound of Example 8, the temperature dependence of the total electrical conductivity was investigated. The total electrical conductivity was measured by the direct current four-probe method, and the measurement range was 200 to 650°C.

図39に結果を示す。従来電気伝導材料として実用されているYSZと、同じ六方ペロブスカイト関連酸化物の酸化物イオン伝導体BaMoNb20との比較を示した。
RbPr(MoOの乾燥空気中で測定した全電気伝導度は、480-650℃でYSZのバルク伝導度と同等以上であり、480℃以降でBaMoNb20の全電気伝導度よりも高かった。
The results are shown in FIG. A comparison between YSZ, which has been conventionally used as an electrical conductive material, and Ba 7 MoNb 4 O 20 , an oxide ion conductor of the same hexagonal perovskite-related oxide, is shown.
The total electrical conductivity of Rb 5 Pr(MoO 4 ) 4 measured in dry air is comparable or superior to that of YSZ at 480-650 °C, and that of Ba 7 MoNb 4 O 20 after 480 °C. higher than the conductivity.

(実施例9:Rb4.9Bi1.1Mo16.01の合成)
以下の手段を用いて、Rb4.9Bi1.1Mo16.01化合物を固相反応法により作製した。
出発原料としては、RbCO、MoO、Bi(化学量論比)を使用した。出発原料はいずれも高純度化学のものを使用した。陽イオンのモル比が目的の化学組成になるように電子天秤で秤量した。焼結を、400℃で24時間、ついで570℃で24時間行った他は、実施例1と同様に合成した。
( Example 9 : Synthesis of Rb4.9Bi1.1Mo4O16.01 )
A Rb 4.9 Bi 1.1 Mo 4 O 16.01 compound was prepared by a solid phase reaction method using the following means.
Rb 2 CO 3 , MoO 3 , Bi 2 O 3 (stoichiometric ratio) were used as starting materials. All starting materials were of high purity chemistry. It was weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the desired chemical composition. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 1, except that sintering was carried out at 400° C. for 24 hours and then at 570° C. for 24 hours.

得られた化合物に対して、実験室系粉末XRD測定を実施した。
図40に、Rb4.9Bi1.1Mo16.01化合物の実験室系XRDピークパターンを示す。Rb4.9Bi1.1Mo16.01化合物が主相で得られたことが確認できた。
A laboratory powder XRD measurement was performed on the resulting compound.
Figure 40 shows the laboratory XRD peak pattern of the Rb4.9Bi1.1Mo4O16.01 compound . It was confirmed that an Rb 4.9 Bi 1.1 Mo 4 O 16.01 compound was obtained as the main phase.

(Rb4.9Bi1.1Mo16.01の電気伝導度)
得られた実施例7の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定範囲は100~650℃とした。
図41に結果を示す。従来電気伝導材料として実用されているYSZと、上述のRbBi(MoOとの比較を示した。
Rb4.9Bi1.1Mo16.01の乾燥空気中で測定した全電気伝導度は、100-650℃で現在の実用材料であるYSZのバルク伝導度よりも高く、上述のように現状の材料と比べると世界最高の酸化物イオン伝導体であるRbBi(MoOの全電気伝導度よりも、100-500℃でさらに高いことがわかった。
(Electrical conductivity of Rb 4.9 Bi 1.1 Mo 4 O 16.01 )
The temperature dependence of the total electrical conductivity of the obtained compound of Example 7 was examined. The total electrical conductivity was measured by the direct current four-probe method, and the measurement range was 100 to 650°C.
The results are shown in FIG. A comparison between YSZ, which is conventionally used as an electrically conductive material, and the aforementioned Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 is shown.
The total electrical conductivity measured in dry air of Rb 4.9 Bi 1.1 Mo 4 O 16.01 is higher than the bulk conductivity of the current practical material YSZ at 100-650° C. At 100-500° C., it was found that the overall electrical conductivity of Rb 5 Bi(MoO 4 ) 4 , the world's best oxide ion conductor, is even higher than that of current materials.

(試験例6)
(実施例10~15:Ba1-y1-z5-wの合成)
以下の手段を用いて、
実施例10:BaScAl0.9Ga0.1
実施例11:BaScAl0.95Ga0.05
実施例12:BaSc0.95Ga0.05AlO
実施例13:BaSc0.95Ca0.05AlO4.975
実施例14:BaSc0.95Mg0.05AlO4.975
実施例15:BaSc0.95Zr0.05AlO5.025
の各化合物を固相反応法により作製した。出発原料としては、BaCO、Sc、Al、Ga、CaCO、MgCO、ZrOを用いた。陽イオンのモル比が上述の各実施例の化合物の目的の化学組成になるように電子天秤で秤量し、その他は実施例2(BaSc0.83Al1.17の合成)と同様の合成を行った。実施例10~11はMが1種(Ga)、実施例12~15はMが複数種(Ga、Ca、Mg、Zrのいずれか、及びAl)である。
(Test example 6)
(Examples 10-15: Synthesis of Ba 2 B 1-y M 1-z O 5-w )
using the following means:
Example 10 : Ba2ScAl0.9Ga0.1O5
Example 11 : Ba2ScAl0.95Ga0.05O5
Example 12 : Ba2Sc0.95Ga0.05AlO5
Example 13 : Ba2Sc0.95Ca0.05AlO4.975
Example 14 : Ba2Sc0.95Mg0.05AlO4.975
Example 15 : Ba2Sc0.95Zr0.05AlO5.025
Each compound of was prepared by the solid phase reaction method. BaCO 3 , Sc 2 O 3 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , CaCO 3 , MgCO 3 and ZrO 2 were used as starting materials. Weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations was the target chemical composition of the compound of each example described above, and the other was Example 2 (synthesis of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 ) and A similar synthesis was performed. Examples 10-11 have one type of M (Ga), and Examples 12-15 have multiple types of M (Ga, Ca, Mg, Zr, and Al).

得られた実施例10~15の化合物の生成相を、X線回折(XRD)により評価を行った。粉末X線回析測定は上記機器及び条件と同じで行った。
図42~47にこのXRD測定の結果を示した。それぞれ、空間群P6/mmcであった。計算予想と測定結果がほぼ同じ結果を示し、予想した化合物が得られていることが示された。
The production phases of the obtained compounds of Examples 10 to 15 were evaluated by X-ray diffraction (XRD). Powder X-ray diffraction measurements were performed using the same equipment and conditions as described above.
42 to 47 show the results of this XRD measurement. Each was in space group P6 3 /mmc. The calculation prediction and the measurement result showed almost the same result, indicating that the expected compound was obtained.

(試験例7)
(実施例16~22:BaLu1-xAl1+xの合成)
以下の手段を用いて、BaLu1-xAl1+xの化合物を固相反応法により作製した。x=0(実施例4と同組成)の他、0.02(実施例16)、0.04(実施例17)、0.05(実施例18)、0.06(実施例19)、0.07(実施例20)、0.1(実施例21)、0.2(実施例22)を合成した。出発原料としては、BaCO、Lu、Alを用いた。陽イオンのモル比が上述の各実施例の化合物の目的の化学組成になるように電子天秤で秤量し、その他は実施例4(BaLuAlO)と同様の合成を行った。
(Test Example 7)
(Examples 16-22: Synthesis of Ba2Lu1 - xAl1 +xO5 )
A compound of Ba 2 Lu 1-x Al 1+x O 5 was prepared by a solid state reaction method using the following means. In addition to x = 0 (same composition as in Example 4), 0.02 (Example 16), 0.04 (Example 17), 0.05 (Example 18), 0.06 (Example 19), 0.07 (Example 20), 0.1 (Example 21) and 0.2 (Example 22) were synthesized. BaCO 3 , Lu 2 O 3 and Al 2 O 3 were used as starting materials. The molar ratio of cations was weighed with an electronic balance so that the target chemical composition of the compound of each example described above was obtained, and otherwise the same synthesis as in Example 4 (Ba 2 LuAlO 5 ) was performed.

得られた実施例4、16~22の各化合物の生成相を、X線回折(XRD)により評価を行った。粉末X線回析測定は上記機器及び条件と同じで行った。このXRD測定の結果を図48に示した。それぞれ、空間群P6/mmcであった。計算予想と測定結果がほぼ同じ結果を示し、予想した化合物が得られていることが示された。 The production phase of each compound of Examples 4 and 16 to 22 obtained was evaluated by X-ray diffraction (XRD). Powder X-ray diffraction measurements were performed using the same equipment and conditions as described above. The results of this XRD measurement are shown in FIG. Each was in space group P6 3 /mmc. The calculation prediction and the measurement result showed almost the same result, indicating that the expected compound was obtained.

(BaLu1-xAl1+xの電気伝導度)
得られた実施例16~20、22の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定範囲は300~800℃(実施例16~20)、300~1000℃(実施例22)、全電気伝導度の温度依存性およびP(O)依存性(相対密度~78%)でσwet:湿潤窒素中(P(HO)=0.021atm)σdry:乾燥窒素中(P(HO) < 10-5atm)とした。
結果を図49~54に示した。なお、図はアレニウスプロットである。図の結果より、湿潤雰囲気では乾燥雰囲気よりも伝導度が向上しており,プロトン伝導が示唆された。
(Electrical conductivity of Ba 2 Lu 1−x Al 1+x O 5 )
The temperature dependence of the total electrical conductivity of the obtained compounds of Examples 16 to 20 and 22 was examined. The total electrical conductivity was measured by the DC 4-probe method, the measurement range was 300 to 800 ° C. (Examples 16 to 20), 300 to 1000 ° C. (Example 22), the temperature dependence of the total electrical conductivity and P (O 2 ) dependence (relative density ~ 78%) σ wet : in wet nitrogen (P(H 2 O) = 0.021 atm) σ dry : in dry nitrogen (P(H 2 O) < 10 -5 atm) and did.
The results are shown in Figures 49-54. The figure is an Arrhenius plot. From the results in the figure, the conductivity in the wet atmosphere was higher than that in the dry atmosphere, suggesting proton conduction.

(試験例8)
(BaLuAlOの輸率評価)
上記で合成した実施例4の化合物BaLuAlOのプロトン輸率を評価した。湿潤窒素中と乾燥窒素中でのBaLuAlOの全電気伝導度の差により、プロトン伝導度を見積もり、その値を用いて計算した。
図55に結果を示した。BaLuAlOは、およそ300~800℃の範囲でプロトン輸率が高く、主たるキャリアがプロトンである。特に200~500℃では温度が上昇してもプロトン輸率の低下がほぼ見られなかった。
(Test Example 8)
( Transfer number evaluation of Ba2LuAlO5 )
The proton transference number of the compound Ba2LuAlO5 of Example 4 synthesized above was evaluated. The proton conductivity was estimated by the difference in total electrical conductivity of Ba 2 LuAlO 5 in wet nitrogen and dry nitrogen, and that value was used for calculations.
The results are shown in FIG. Ba 2 LuAlO 5 has a high proton transference number in the range of about 300 to 800° C., and protons are the main carrier. Especially at 200 to 500°C, almost no decrease in proton transference number was observed even when the temperature was increased.

(BaLuAlOの伝導度)
上記で合成した実施例4の化合物BaLuAlOについて、バルク伝導度・粒界伝導度の温度依存性を調べた。交流インピーダンス法によりバルク伝導度(σbulk)・粒界伝導度(σgb)を測定し、測定範囲は100~800℃でσwet:湿潤窒素+水素中(P(HO)=0.021atm)、σdry:乾燥窒素中(P(HO)<10-5 atm)とした。
図56に湿潤窒素+水素中、図57に乾燥窒素中の結果を示した。なお、図はアレニウスプロットである。図の結果より、バルク伝導度は粒界伝導度よりも高いことが分かった。
図58に、実施例4のBaLuAlOのバルクのプロトン伝導度を、従来知られたプロトン伝導体と比較したグラフ図(アレニウスプロット)を示した。実施例4の化合物は、ほとんどの温度の範囲で従来知られたプロトン伝導体の化合物を上回る伝導度を示し、500℃以下であればBaZr0.80.22.9も上回っていた。
( Conductivity of Ba2LuAlO5 )
Regarding the compound Ba 2 LuAlO 5 of Example 4 synthesized above, the temperature dependence of bulk conductivity and grain boundary conductivity was investigated. Bulk conductivity (σ bulk ) and grain boundary conductivity (σ gb ) were measured by an AC impedance method, and the measurement range was 100 to 800° C. σ wet : in wet nitrogen + hydrogen (P(H 2 O)=0. 021 atm), σ dry : in dry nitrogen (P(H 2 O)<10 −5 atm).
FIG. 56 shows the results in wet nitrogen+hydrogen, and FIG. 57 shows the results in dry nitrogen. The figure is an Arrhenius plot. From the results in the figure, it was found that the bulk conductivity is higher than the grain boundary conductivity.
FIG. 58 shows a graph (Arrhenius plot) comparing the bulk proton conductivity of Ba 2 LuAlO 5 of Example 4 with that of a conventionally known proton conductor. The compound of Example 4 exhibits conductivity superior to that of conventionally known proton conductor compounds in most temperature ranges, and even exceeds BaZr 0.8 Y 0.2 O 2.9 at temperatures below 500°C. rice field.

(BaLuAlOの紫外・可視拡散反射スペクトル)
上記で合成した実施例4の化合物BaLuAlOについて、ダブルビーム方式で紫外・可視拡散反射スペクトル(UV-Vis DRS)を空気中室温で測定した。Tauc Plot を用いて直接許容遷移を仮定してバンドギャップを求めた。
図59に結果を示した。図の結果より、バンドギャップが十分大きく,電子やホールの伝導の寄与が小さいことが示唆された。
( UV-visible diffuse reflectance spectrum of Ba2LuAlO5 )
For the compound Ba 2 LuAlO 5 of Example 4 synthesized above, an ultraviolet/visible diffuse reflectance spectrum (UV-Vis DRS) was measured in air at room temperature by a double beam method. The bandgap was determined using Tauc Plot assuming direct allowed transitions.
The results are shown in FIG. The results in the figure suggest that the bandgap is sufficiently large and the contribution of electron and hole conduction is small.

(試験例9)
(実施例23~27:Ba7-x6-y2-z19-wの合成)
以下の手段を用いて、
実施例23:Ba6.30.7ScAl18.65
実施例24:Ba6.3Sr0.7ScAl19
実施例25:BaSc5.4Mg0.6Al18.7
実施例26:BaSc5.4Tb0.6Al19.3
実施例27:BaSc5.4Zr0.6Al19.3
の各化合物を固相反応法により作製した。出発原料としては、BaCO、Sc、Al、KCO、SrCO、Ga、CaCO、MgCO、Tb、ZrOを用いた。陽イオンのモル比が上述の各実施例の化合物の目的の化学組成になるように電子天秤で秤量し、ボールミルを用いた混合磨砕を行った。その他は実施例2(BaSc0.83Al1.17の合成)と同様の合成を行った。実施例23~27はMが複数種(Sc、Mg、Tb、Zrのいずれか、及びAl)である。
(Test Example 9)
(Examples 23-27: Synthesis of Ba 7-x B 6-y M 2-z O 19-w )
using the following means:
Example 23 : Ba6.3K0.7Sc6Al2O 18.65
Example 24 : Ba6.3Sr0.7Sc6Al2O19 _
Example 25 : Ba7Sc5.4Mg0.6Al2O 18.7
Example 26 : Ba7Sc5.4Tb0.6Al2O 19.3
Example 27 : Ba7Sc5.4Zr0.6Al2O19.3 _
Each compound of was prepared by the solid phase reaction method. BaCO 3 , Sc 2 O 3 , Al 2 O 3 , K 2 CO 3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , CaCO 3 , MgCO 3 , Tb 2 O 3 and ZrO 2 were used as starting materials. Weighed with an electronic balance so that the molar ratio of cations would be the target chemical composition of the compound of each example described above, and mixed and ground using a ball mill. Others were synthesized in the same manner as in Example 2 (Synthesis of Ba 2 Sc 0.83 Al 1.17 O 5 ). Examples 23 to 27 have multiple types of M (Sc, Mg, Tb, Zr, and Al).

得られた実施例23~27の化合物の生成相を、X線回折(XRD)により評価を行った。粉末X線回析測定は上記機器及び条件と同じで行った。
図60~64にこのXRD測定の結果を示した。それぞれ、空間群P6/mmcであった。計算予想と測定結果がほぼ同じ結果を示し、予想した化合物が得られていることが示された。
The production phases of the obtained compounds of Examples 23 to 27 were evaluated by X-ray diffraction (XRD). Powder X-ray diffraction measurements were performed using the same equipment and conditions as described above.
The results of this XRD measurement are shown in Figures 60-64. Each was in space group P6 3 /mmc. The calculation prediction and the measurement result showed almost the same result, indicating that the expected compound was obtained.

(BaSc5.4Zr0.6Al19.3の電気伝導度)
実施例27のBaSc5.4Zr0.6Al19.3の化合物について、全電気伝導度の温度依存性を調べた。直流4端子法により全電気伝導度を測定し、測定範囲は300~800℃、全電気伝導度の温度依存性(相対密度~71%)でσwet:湿潤空気中(P(HO)=0.021atm)とした。
図65に結果を示した。なお、図はアレニウスプロットである。
( Electrical conductivity of Ba7Sc5.4Zr0.6Al2O19.3 )
For the compound Ba 7 Sc 5.4 Zr 0.6 Al 2 O 19.3 of Example 27, the temperature dependence of the total electrical conductivity was investigated. The total electrical conductivity was measured by the direct current 4-probe method, the measurement range was 300 to 800 ° C., the temperature dependence of the total electrical conductivity (relative density ~ 71%), σ wet : in moist air (P (H 2 O) = 0.021 atm).
The results are shown in FIG. The figure is an Arrhenius plot.

(構造最適化計算)
密度汎関数理論に基づく構造最適化計算を以下の化学式に示す各化合物について実施し、構造最適化により得られた格子定数を求めた。
プログラムVASPを利用して一般化勾配近似とPBE汎関数を用いた密度汎関数理論計算を行った。以下の各構造物グループ、区分について、各表に格子定数の結果を示した。
いずれの組成も最適化された構造は元の六方ペロブスカイト関連化合物の結晶構造を保っており、これらの組成を合成できる可能性を示している。これらの化合物も酸化物イオン伝導を示すと考えられる。
(Structure optimization calculation)
Structural optimization calculations based on density functional theory were performed for each of the compounds represented by the following chemical formulas, and lattice constants obtained by structural optimization were determined.
Density functional theory calculations using generalized gradient approximation and PBE functionals were performed using the program VASP. The lattice constant results are shown in each table for each structure group and division below.
The optimized structures of all compositions retain the crystal structure of the original hexagonal perovskite-related compounds, indicating the possibility of synthesizing these compositions. These compounds are also considered to exhibit oxide ion conduction.

(計算例1~308:RbBiMo16、RbGdMo16のグループ)
区分a: 密度汎関数理論に基づく構造最適化計算をRbMMo16について実施した。ここで、Mは Bi、Gd、Ce、Dy、Er、Eu、Ho、S、In、La、Lu、Nd、Pm、Pr、Sc、Sm、Tb、Tm、Y、Yb、Ag、Au、Ir、Mo、Nb、Np、Pd、Pu、Ru、Sb、Ta、Ti、Uからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表1)
区分b: MBiMo16について実施した。ここで、M は Na、K、Cs、Hg、Tl、Au、Baからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表2)
区分c: RbBiM16について実施した。ここで、MはCr、S、Te、Wからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表2)
区分d: Rb15GdMo123810について実施した。ここでXはF、N、Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陰イオンである。(表2)
区分e: Rb15BiMo123810について実施した。ここでXはF、N、Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陰イオンである。(表2)
区分f: RbMGdMo16について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表3、表4)
区分g: Rb15GdMMo1248について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表5、表6)
区分h: RbGdMoMO16について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表7、表8)
区分i: RbMBiMo16について実施した。ここでMはRu、Cd、Br、Sc、Be、Bi、Sm、Si、Se、Sc、B、Sb、Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表9)
区分j: Rb15BiMMo1248について実施した。ここでMはAg、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Al、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Luからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表9)
区分k: RbBiMoMO16について実施した。ここでMはAg、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Al、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Luからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表10)
区分l: 構造最適化計算をRbGdMo13、Rb15GdMo1256、RbMoBiO13、Rb15Mo12Bi56、RbGdMo16、Rb15GdMo1248、RbGdMo16、RbMoBiO16、Rb15Mo12Bi48、RbMoBiO16について実施した。なお、区分lは各陽イオン・陰イオンの欠損を想定したものである。(表10)
(Calculation examples 1 to 308: groups of Rb 5 BiMo 4 O 16 and Rb 5 GdMo 4 O 16 )
Category a: Structure optimization calculations based on density functional theory were performed on Rb 5 MMo 4 O 16 . Here, M is Bi, Gd, Ce, Dy, Er, Eu, Ho, S, In, La, Lu, Nd, Pm, Pr, Sc, Sm, Tb, Tm, Y, Yb, Ag, Au, Ir , Mo, Nb, Np, Pd, Pu, Ru, Sb, Ta, Ti and U are cations of at least one element. (Table 1)
Section b: Performed on M 5 BiMo 4 O 16 . Here, M is a cation of at least one element selected from the group consisting of Na, K, Cs, Hg, Tl, Au and Ba. (Table 2)
Section c: Performed on Rb 5 BiM 4 O 16 . Here, M is a cation of at least one element selected from the group consisting of Cr, S, Te and W. (Table 2)
Section d: Rb 15 Gd 3 Mo 12 O 38 X 10 was tested. Here, X is an anion of at least one element selected from the group consisting of F, N and S. (Table 2)
Section e: Rb 15 Bi 3 Mo 12 O 38 X 10 was tested. Here, X is an anion of at least one element selected from the group consisting of F, N and S. (Table 2)
Section f: Performed on Rb 4 MGdMo 4 O 16 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 3 and 4)
Section g: Rb 15 Gd 2 MMo 12 O 48 was performed. Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 5 and 6)
Section h: Performed on Rb5GdMo3MO16 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 7 and 8)
Section i: Performed on Rb4MBiMo4O16 . Here, M is a cation of at least one element selected from the group consisting of Ru, Cd, Br, Sc, Be, Bi, Sm, Si, Se, Sc, B, Sb and S. (Table 9)
Section j: Performed on Rb 15 Bi 2 MMo 12 O 48 . Here, M is selected from the group consisting of Ag, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Al, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li and Lu. are cations of at least one element with (Table 9)
Section k: Performed on Rb5BiMo3MO16 . Here, M is selected from the group consisting of Ag, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Al, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li and Lu. are cations of at least one element with (Table 10)
Category l : Structural optimization calculations for Rb5GdMo4O13 , Rb15Gd3Mo12O56 , Rb5Mo4BiO13 , Rb15Mo12Bi3O56 , Rb5GdMo3O16 , Rb15Gd 2Mo12O48 , Rb4GdMo4O16 , Rb5Mo3BiO16 , Rb15Mo12Bi2O48 , Rb4Mo4BiO16 . _ _ _ _ _ _ In addition, the division l assumes the deficiency of each cation/anion. (Table 10)

(計算例309~561:α-BaScAlOのグループ)
区分a: BaMAlOについて実施した。ここでMはSc、Ag、Bi、Ga、Sb、Au、Ce、Co、Cr、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ho、In、Ir、La、Lu、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Pa、Pd、Pm、Pr、Pu、Rh、Ru、Sm、Ta、Tb、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Ybからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表11)
区分b MScAlOについて実施した。ここでMはC、Ra、Pb、Cd、Srからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表12)
区分c BaScGaOについて実施した。(表12)
区分d BaScAlXについて実施した。ここでXはN、F、Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陰イオンである。(表12)
区分e BaScAlMO15について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表13、14)
区分f BaScAl15について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表14、表15)
区分g: BaScMAl15について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表16、17)
(Calculation examples 309 to 561: group of α-Ba 2 ScAlO 5 )
Section a: Performed on Ba 2 MAIO 5 . Here, M is Sc, Ag, Bi, Ga, Sb, Au, Ce, Co, Cr, Dy, Er, Eu, Fe, Gd, Ho, In, Ir, La, Lu, Mn, Mo, Nb, Nd, at least one element selected from the group consisting of Ni, Np, Pa, Pd, Pm, Pr, Pu, Rh, Ru, Sm, Ta, Tb, Ti, Tl, Tm, U, V, Y, and Yb It is a cation. (Table 11)
Section b was performed on M 2 ScAlO 5 . Here, M is a cation of at least one element selected from the group consisting of C, Ra, Pb, Cd and Sr. (Table 12)
Section c Ba 2 ScGaO 5 was performed. (Table 12)
Section d was performed on Ba 2 ScAlX 5 . Here, X is an anion of at least one element selected from the group consisting of N, F and S. (Table 12)
Section e was performed on Ba6Sc2Al2MO15 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 13 and 14)
Section f Ba 4 M 2 Sc 3 Al 3 O 15 was performed. Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Table 14, Table 15)
Section g : Performed on Ba6Sc2MAl3O15 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 16 and 17)

(計算例562~813:β-BaScAlOのグループ)
区分a: BaMAlOについて実施した。ここでMはSc、Ag、Au、Bi、Ce、Co、Cr、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ho、In、Ir、La、Lu、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Pa、Pd、Pm、Pr、Pu、Rh、Sb、Sm、Ta、Tb、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Ybからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表18)
区分b: MScAlOについて実施した。ここでMはEu、Pb、Srからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表19)
区分c: BaScGaOについて実施した。(表19)
区分d: BaScAlXについて実施した。ここでXはN、F、Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陰イオンである。(表19)
区分e: BaScAlMO20について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表20、21)
区分f: BaMScAl10について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表22、23)
区分g: BaScMAl20について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表23、24、25)
(Calculation examples 562-813: group of β-Ba 2 ScAlO 5 )
Section a: Performed on Ba 2 MAIO 5 . Here, M is Sc, Ag, Au, Bi, Ce, Co, Cr, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ho, In, Ir, La, Lu, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, A cation of at least one element selected from the group consisting of Np, Pa, Pd, Pm, Pr, Pu, Rh, Sb, Sm, Ta, Tb, Ti, Tl, Tm, U, V, Y, and Yb is. (Table 18)
Section b: Performed on M 2 ScAlO 5 . Here, M is a cation of at least one element selected from the group consisting of Eu, Pb and Sr. (Table 19)
Section c: Performed on Ba 2 ScGaO 5 . (Table 19)
Section d: Performed on Ba 2 ScAlX 5 . Here, X is an anion of at least one element selected from the group consisting of N, F and S. (Table 19)
Section e : Performed on Ba8Sc4Al3MO20 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 20 and 21)
Section f: Performed on Ba 3 MSc 2 Al 2 O 10 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 22 and 23)
Section g : Performed on Ba8Sc3MAl4O20 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 23, 24, 25)

(計算例814~1047:BaScAl19のグループ)
区分a: BaAl19について実施した。ここでMはNi、As、Co、Cr、Ga、V、Mn、Fe、Rh、Ti、Ru、Ir、Mo、Nb、Ta、Ag、Sc、Pd、Sb、In、Au、Lu、Yb、Tm、Tl、Er、Yからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表26)
区分b: MScAl19について実施した。ここでMはCd、Ca、Sr、Pb、Raからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表27)
区分c BaScGa19について実施した。(表27)
区分d: BaScAl19について実施した。ここでXはNもしくはFである。(表27)
区分e: BaScAlMO19について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表28、29)
区分f: Ba11Sc12Al38について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表31)
区分g: Ba14ScAl38について実施した。ここでMはAg、Al、At、Au、B、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、Ir、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、Np、Os、P、Pb、Pd、Pm、Po、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Ta、Tb、Tc、Tc、Te、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Xe、Yb、Zn、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の陽イオンである。(表32、33)
(Calculation examples 814 to 1047: group of Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 )
Section a: Performed on Ba7M6Al2O19 . Here, M is Ni, As, Co, Cr, Ga, V, Mn, Fe, Rh, Ti, Ru, Ir, Mo, Nb, Ta, Ag, Sc, Pd, Sb, In, Au, Lu, Yb, It is a cation of at least one element selected from the group consisting of Tm, Tl, Er and Y. (Table 26)
Section b: Performed on M 7 Sc 6 Al 2 O 19 . Here, M is a cation of at least one element selected from the group consisting of Cd, Ca, Sr, Pb and Ra. (Table 27)
Section c Ba 7 Sc 6 Ga 2 O 19 was performed. (Table 27)
Section d : Performed on Ba7Sc6Al2X19 . where X is N or F; (Table 27)
Section e: Performed on Ba 7 Sc 6 AlMO 19 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 28 and 29)
Section f: Ba 11 M 3 Sc 12 Al 4 O 38 was tested. Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Table 31)
Section g : Performed on Ba14Sc9M3Al4O38 . Here, M is Ag, Al, At, Au, B, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, I, In, Ir, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Np, Os, P, Pb, Pd, Pm, Po, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, S, selected from the group consisting of Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Ta, Tb, Tc, Tc, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Xe, Yb, Zn, Zr It is a cation of at least one element. (Tables 32 and 33)

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本発明の固体電解質、それを用いた電解質層、電池及び固体電解質の製造方法によれば、高いイオン伝導度を有し、周囲の温度又は気体条件によってもイオン伝導度の安定した固体電解質、それを用いた電解質層、電池及び固体電解質の製造方法が得られる。本発明の固体電解質はまた、燃料電池、センサ、電極、電解質、元素濃縮器、元素分離膜、元素透過膜、元素ポンプ、触媒、光触媒、電気・電子・通信機器、エネルギー・環境関連用機器または光学機器等に利用することができる。 According to the solid electrolyte, the electrolyte layer using the same, the battery, and the method for producing the solid electrolyte of the present invention, a solid electrolyte having high ionic conductivity and stable ionic conductivity even under ambient temperature or gas conditions; An electrolyte layer, a battery, and a method for producing a solid electrolyte are obtained. The solid electrolyte of the present invention can also be used for fuel cells, sensors, electrodes, electrolytes, element concentrators, element separation membranes, element permeable membranes, element pumps, catalysts, photocatalysts, electrical/electronic/communication equipment, energy/environment-related equipment or It can be used for optical equipment and the like.

Claims (28)

六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物は、下記一般式(1)で表される化合物である、固体電解質。
5-x1-y4-z16-w ・・・(1)
[式(1)中、Aは陽イオンで、Aの欠損量xは-4~4の数値である。Bは陽イオンで、Bの欠損量yは-0.5~0.5の数値である。Mは陽イオンで、Mの欠損量zは-2~2の数値である。Xは陰イオンで、wは陰イオンXの欠損量であり、-3~3の数値である。]
A solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, wherein the compound is a compound represented by the following general formula (1).
A 5-x B 1-y M 4-z X 16-w (1)
[In the formula (1), A is a cation, and the missing amount x of A is a numerical value of -4 to 4. B is a cation, and the defect amount y of B is a numerical value of -0.5 to 0.5. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value of -2 to 2. X is an anion and w is the amount of deficiency of the anion X, which is a numerical value of -3 to 3. ]
前記式(1)中、Aの平均イオン半径は1.10~1.83Å、Bの平均イオン半径は0.73~1.24Å、Mの平均イオン半径は0.20~0.50Å、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åである、請求項1に記載の固体電解質。 In the above formula (1), the average ionic radius of A is 1.10 to 1.83 Å, the average ionic radius of B is 0.73 to 1.24 Å, the average ionic radius of M is 0.20 to 0.50 Å, X The solid electrolyte according to claim 1, wherein the average ionic radius of is 1.10 Å to 1.68 Å. 前記式(1)中、前記陰イオンXがOであり、前記wが酸素欠損量である、請求項1又は2に記載の固体電解質。 3. The solid electrolyte according to claim 1, wherein in the formula (1), the anion X is O, and the w is the amount of oxygen deficiency. 前記化合物はpalmierite型化合物であり、Ba2+とKとを除くイオンまたは電子を伝導する電気伝導体である、請求項1~3のいずれか1項に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound is a palmierite-type compound and is an electric conductor that conducts ions or electrons other than Ba 2+ and K 2 + . 前記化合物はルビジウムイオン伝導体、酸化物イオン伝導体、プロトン伝導体、電子伝導体、又は、それらの混合伝導体である、請求項1から4のいずれか1項に記載の固体電解質。 5. The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein said compound is a rubidium ion conductor, an oxide ion conductor, a proton conductor, an electron conductor, or a mixed conductor thereof. 前記化合物のAが少なくともRbを含む陽イオンであり、BがGd、La、Nd、Sm、Eu、Tb、及びBiのうち少なくとも1種類の元素を含む陽イオンであり、Mが少なくともMoを含む陽イオンであり、Xは少なくともOを含む陰イオンである、請求項1から5のいずれか1項に記載の固体電解質。 A of the compound is a cation containing at least Rb, B is a cation containing at least one element selected from among Gd, La, Nd, Sm, Eu, Tb, and Bi, and M contains at least Mo. 6. The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid electrolyte is a cation and X is an anion containing at least O. 前記化合物がRbGd(MoO、RbLa(MoO、RbNd(MoO、RbSm(MoO、RbEu(MoO、RbTb(MoO、RbBi(MoO、RbPr(MoO4、Rb4.9Bi1.1Mo16.1、又はRb4.5Ba0.5GdMo16.25である、請求項1から6のいずれか1項に記載の固体電解質。 The compounds are Rb5Gd (MoO4) 4 , Rb5La (MoO4) 4 , Rb5Nd ( MoO4 ) 4 , Rb5Sm ( MoO4 ) 4 , Rb5Eu ( MoO4 ) 4 , Rb5 Tb( MoO4 ) 4 , Rb5Bi ( MoO4 ) 4 , Rb5Pr ( MoO4 ) 4 , Rb4.9Bi1.1Mo4O16.1 , or Rb4.5Ba0.5GdMo 7. The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 6 , which is 4O 16.25 . 前記化合物がRbGd(MoOである、請求項1から7のいずれか1項に記載の固体電解質。 8. The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 7 , wherein said compound is Rb5Gd (MoO4) 4 . 六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物は、下記一般式(2)で表される化合物である、固体電解質。
2-x1-y1-z5-w ・・・(2)
[式(2)中、Aは陽イオンであり、Aの欠損量xは-1~1の数値である。Bは陽イオンであり、Bの欠損量yは-0.5~0.5の数値である。Mは陽イオンであり、Mの欠損量zは-0.5~0.5の数値である。Xは陰イオンで、であり、wは陰イオンXの欠損量であり、-1~1の数値である。]
A solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, wherein the compound is a compound represented by the following general formula (2).
A 2-x B 1-y M 1-z X 5-w (2)
[In the formula (2), A is a cation, and the defect amount x of A is a numerical value of -1 to 1. B is a cation, and the defect amount y of B is a numerical value of -0.5 to 0.5. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value from -0.5 to 0.5. X is an anion, and w is the amount of deficiency of the anion X, which is a numerical value from -1 to 1. ]
前記式(2)中、Aの平均イオン半径は1.28Å~1.94Å、Bの平均イオン半径は0.59Å~1.04Å、Mの平均イオン半径は0.31Å~0.47Åであり、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åである、請求項9に記載の固体電解質。 In the above formula (2), the average ionic radius of A is 1.28 Å to 1.94 Å, the average ionic radius of B is 0.59 Å to 1.04 Å, and the average ionic radius of M is 0.31 Å to 0.47 Å. , X has an average ionic radius of 1.10 Å to 1.68 Å. 前記化合物がα-BaScAlO型またはβ-BaScAlO型化合物であり、イオン又は電子を伝導する電気伝導体あるいはイオン-電子混合伝導体である、請求項9又は10に記載の固体電解質。 The solid according to claim 9 or 10, wherein said compound is an α-Ba 2 ScAlO 5 type or β-Ba 2 ScAlO 5 type compound and is an electrical conductor or a mixed ion-electron conductor conducting ions or electrons. Electrolytes. 前記式(2)中、前記陰イオンXがOであり、前記wが酸素欠損量である、請求項9から11のいずれか1項に記載の固体電解質。 12. The solid electrolyte according to any one of claims 9 to 11, wherein in the formula (2), the anion X is O, and the w is the amount of oxygen deficiency. 前記式(2)中、Aは少なくともBaを含む陽イオンで、Bは少なくともSc、LuまたはInを含む陽イオンで、Mは少なくともAlを含む陽イオンで、Xは少なくともOを含む陰イオンである、請求項9から12のいずれか1項に記載の固体電解質。 In the formula (2), A is a cation containing at least Ba, B is a cation containing at least Sc, Lu or In, M is a cation containing at least Al, and X is an anion containing at least O. A solid electrolyte according to any one of claims 9 to 12. 前記化合物がBaInAlO、BaScAlO、BaSc0.87Al1.13、BaLuAlO、又はBaLu0.9Al1.1である、請求項9から13のいずれか1項に記載の固体電解質。 10. The compound is Ba2InAlO5 , Ba2ScAlO5 , Ba2Sc0.87Al1.13O5 , Ba2LuAlO5 , or Ba2Lu0.9Al1.1O5 . 14. The solid electrolyte according to any one of 13. 前記化合物がBaScAlO、BaSc0.87Al1.13、BaLuAlO、BaScAl0.9Ga0.1、BaScAl0.95Ga0.05、BaSc0.95Ga0.05AlO、BaSc0.95Ca0.05AlO4.976、BaSc0.95Mg0.05AlO4.975、BaSc0.95Zr0.05AlO5.025、BaLu0.98Al1.02、BaLu0.96Al1.04、BaLu0.95Al1.05、BaLu0.94Al1.06、BaLu0.93Al1.07、BaLu0.9Al1.1、又はBaLu0.8Al1.2である、請求項9から14のいずれか1項に記載の固体電解質。 The compounds are Ba2ScAlO5 , Ba2Sc0.87Al1.13O5 , Ba2LuAlO5 , Ba2ScAl0.9Ga0.1O5 , Ba2ScAl0.95Ga0.05O _ _ _ 5 , Ba2Sc0.95Ga0.05AlO5 , Ba2Sc0.95Ca0.05AlO4.976 , Ba2Sc0.95Mg0.05AlO4.975 , Ba2Sc0 . _ _ _ _ _ 95Zr0.05AlO5.025 , Ba2Lu0.98Al1.02O5 , Ba2Lu0.96Al1.04O5 , Ba2Lu0.95Al1.05O5 , Ba _ _ _ _ _ _ 2Lu0.94Al1.06O5 , Ba2Lu0.93Al1.07O5 , Ba2Lu0.9Al1.1O5 , or Ba2Lu0.8Al1.2O _ _ _ _ _ _ _ 15. The solid electrolyte according to any one of claims 9 to 14, which is 5 . 六方ペロブスカイト関連化合物を含む固体電解質であって、前記化合物はBaScAl19型化合物で、下記一般式(3)で表される化合物である、固体電解質。
7-x6-y2-z19-w ・・・(3)
[式(3)中、Aは陽イオンで、Aの欠損量xは-3.5~3.5の数値である。Bは陽イオンで、Bの欠損量yは-3~3の数値である。Mは陽イオンで、Mの欠損量zは-1~1の数値である。Xは陰イオンで、wは陰イオンXの欠損量であり、-3~3の値である。]
A solid electrolyte containing a hexagonal perovskite-related compound, wherein the compound is a Ba 7 Sc 6 Al 2 O 19 type compound represented by the following general formula (3).
A 7-x B 6-y M 2-z X 19-w (3)
[In the formula (3), A is a cation, and the missing amount x of A is a numerical value of -3.5 to 3.5. B is a cation, and the defect amount y of B is a numerical value of -3 to 3. M is a cation, and the missing amount z of M is a numerical value from -1 to 1. X is an anion, and w is the missing amount of the anion X, which is a value of -3 to 3. ]
前記式(3)中、Aの平均イオン半径は1.28~1.94Å、Bの平均イオン半径は0.59~0.90Å、Mの平均イオン半径は0.31~0.47Åであり、Xの平均イオン半径は1.10Å~1.68Åである、請求項16に記載の固体電解質。 In the above formula (3), the average ionic radius of A is 1.28 to 1.94 Å, the average ionic radius of B is 0.59 to 0.90 Å, and the average ionic radius of M is 0.31 to 0.47 Å. , X has an average ionic radius of 1.10 Å to 1.68 Å. 前記式(3)中、前記陰イオンXがOである、請求項16又は17に記載の固体電解質。 18. The solid electrolyte according to claim 16 or 17, wherein said anion X is O in said formula (3). 前記式(3)中、Aは少なくともBaを含む陽イオンで、Bは少なくともScを含む陽イオンで、Mは少なくともAlを含む陽イオンであり、Xは少なくともOを含む陰イオンである、請求項16から18のいずれか1項に記載の固体電解質。 In the formula (3), A is a cation containing at least Ba, B is a cation containing at least Sc, M is a cation containing at least Al, and X is an anion containing at least O. Item 19. The solid electrolyte according to any one of Items 16 to 18. 前記化合物がBaScAl19、Ba6.30.7ScAl18.65、Ba6.3Sr0.7ScAl19、BaSc5.4Mg0.6Al19.3、BaSc5.4Tb0.6Al19.3、又はBaSc5.4Zr0.6Al19.3である、請求項16から19のいずれか1項に記載の固体電解質。 Said compounds are Ba7Sc6Al2O19 , Ba6.3K0.7Sc6Al2O18.65 , Ba6.3Sr0.7Sc6Al2O19 , Ba7Sc5.4 _ _ _ _ _ _ Mg0.6Al2O19.3 , Ba7Sc5.4Tb0.6Al2O19.3 , or Ba7Sc5.4Zr0.6Al2O19.3 _ _ _ _ _ _ _ 20. The solid electrolyte according to any one of 16 to 19. プロトン伝導体として用いられる固体電解質であって、200~1200℃の温度条件で用いるための、請求項1から20のいずれか1項に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 20, which is used as a proton conductor and is for use under temperature conditions of 200 to 1200°C. 200℃における電気伝導度を測定したとき、lоg[σ(Scm-1)]で表される電気伝導度が-7以上の、請求項1から21のいずれか1項に記載の固体電解質。 22. The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 21, wherein the electrical conductivity represented by log [σ(Scm -1 )] is -7 or more when measured at 200°C. 燃料電池、センサ、電極、電解質、元素濃縮器、元素分離膜、元素透過膜、元素ポンプ、触媒、光触媒、電気・電子・通信機器、エネルギー・環境関連用機器または光学機器である、請求項1から22のいずれか1項に記載の固体電解質。 Fuel cells, sensors, electrodes, electrolytes, element concentrators, element separation membranes, element permeation membranes, element pumps, catalysts, photocatalysts, electric/electronic/communication equipment, energy/environment-related equipment, or optical equipment. 23. The solid electrolyte according to any one of 22. 燃料電池又はセンサに用いられる電解質層用である、請求項23に記載の固体電解質。 24. The solid electrolyte according to claim 23, for electrolyte layers used in fuel cells or sensors. 請求項1から24のいずれか1項に記載の固体電解質を含む電解質層。 An electrolyte layer comprising the solid electrolyte according to any one of claims 1 to 24. 請求項25に記載の電解質層を備える電池。 A battery comprising the electrolyte layer of claim 25. 水素燃料電池である、請求項26に記載の電池。 27. The cell of claim 26, which is a hydrogen fuel cell. 請求項1から24のいずれか1項に記載の固体電解質の製造方法であって、
固相反応法によって前記化合物を製造し、
前記固相反応法における焼成は、
前記化合物が一般式(1)で表される化合物であるときは、大気下で200~1000℃で5~20時間、続けて300~1100℃で5~24時間焼成し、
前記化合物が一般式(2)又は(3)で表される化合物であるときは、大気下で200~1000℃で5~20時間、続けて大気下で1500~1700℃で3~24時間焼成する、固体電解質の製造方法。
A method for producing a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 24,
Producing the compound by a solid state reaction method,
Firing in the solid phase reaction method is
When the compound is a compound represented by the general formula (1), it is calcined in the atmosphere at 200 to 1000° C. for 5 to 20 hours and then at 300 to 1100° C. for 5 to 24 hours,
When the compound is a compound represented by general formula (2) or (3), it is calcined at 200 to 1000° C. for 5 to 20 hours in the air and then at 1500 to 1700° C. for 3 to 24 hours in the air. A method for producing a solid electrolyte.
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