JP7265538B2 - 固体電解質接合体 - Google Patents
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Description
前記酸化物は、Aサイトの一部にランタンを含み且つAサイトに位置するすべての元素に占めるランタンの原子比が0.01以上0.80以下である固体電解質接合体を提供することにより前記の課題を解決したものである。
前記酸化物は、Aサイトの一部にランタンを含んでいてもよく、Bサイトに位置するすべての元素に占める鉄の原子比が0.1以上1.0以下である固体電解質接合体を提供することによりデバイス全体としての酸化物イオン伝導性を高め、前記の課題を解決したものである。
(i)Aサイトをランタン及びストロンチウムが占め、Bサイトを鉄、コバルト及びニッケルが占める酸化物。
(ii)Aサイトをランタン及びバリウムが占め、Bサイトを鉄が占める酸化物。
(iii)Aサイトをバリウムが占め、Bサイトを鉄及び銅が占める酸化物。
(iv)Aサイトをランタン及びバリウムが占め、Bサイトを鉄及び銅が占める酸化物。
本実施例では、以下の(1)-(3)の工程に従い図1に示す固体電解質接合体10及びデバイス20を製造した。
(1)固体電解質層11の製造
La2O3の粉体とSiO2の粉体とをモル比で1:1となるように配合し、エタノールを加えてボールミルで混合した。この混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、白金るつぼを使用して大気雰囲気下に1650℃で3時間にわたり焼成した。この焼成物にエタノールを加え、遊星ボールミルで粉砕して焼成粉を得た。この焼成粉を、20mmφの成形器に入れて一方向から加圧して一軸成形した。更に600MPaで1分間冷間等方圧加圧(CIP)を行ってペレットを成形した。このペレット状成形体を、大気中、1600℃で3時間にわたり加熱してペレット状焼結体を得た。この焼結体をX線回折測定及び化学分析に付したところ、La2SiO5の構造であることが確認された。
第1電極層12及び第2電極層13を構成する酸化物として、立方晶ペロブスカイト構造を有するLa0.6Sr0.4Co0.78Fe0.2Ni0.02O3-δ(以下「LSCFN」ともいう。)の粉末を用いた。この酸化物は次の方法で得た。まず、硝酸ランタン、硝酸ストロンチウム、硝酸コバルト、硝酸鉄及び硝酸ニッケル並びにDL-リンゴ酸をイオン交換水に溶解させ、攪拌しながらアンモニア水を添加してpHを5.0~6.0程度に調整した。次いで約350℃で溶液を蒸発させて粉末を得た(ビルドアップ法)。得られた粉末を乳鉢で粉砕した。このようにして得られた粉末を空気中900℃で5時間仮焼成することで、目的とするLSCFNの粉末を製造した。X線回折ピークから、このLSCFNが、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。
α-テルピネオールにエチルセルロースを溶解させたバインダーにLSCFNの粉末を分散させて25質量%のペーストを調製した。このペーストを固体電解質層11の各表面に塗布して塗膜を形成した。これらの塗膜を大気雰囲気下に900℃で5時間にわたり焼成して、多孔質体からなる第1電極層12及び第2電極層13を得た。第1電極層12及び第2電極層13の厚みはいずれも20μmであった。
・装置名:株式会社リガク製「SmartLab」
・走査軸:2θ
・走査範囲:0~4deg
・走査速度:0.1deg/min
・ステップ幅:0.02deg
・光学系:小角散乱仕様
・試料位置:粉末試料をカプトンテープで保持し、透過で測定
第1電極層12及び第2電極層13の表面に、白金ペーストを塗布して塗膜を形成した。これらの塗膜を大気中で、700℃で1時間焼成して、集電層を得た。このようにして固体電解質接合体10を含むデバイス20を製造した。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.95La0.05FeO3-δ(以下「BLF」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBaFe0.5Cu0.5O3-δ(以下「BFC」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.85La0.15Fe0.9Cu0.1O3-δ(以下「BLFC0.1」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.8La0.2Fe0.85Cu0.15O3-δ(以下「BLFC0.15」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.7La0.3Fe0.75Cu0.25O3-δ(以下「BLFC0.25」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.6La0.4Fe0.65Cu0.35O3-δ(以下「BLFC0.35」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.5La0.5Fe0.55Cu0.45O3-δ(以下「BLFC0.45」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.4La0.6Fe0.45Cu0.55O3-δ(以下「BLFC0.55」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNに代えて立方晶ペロブスカイト構造を有するBa0.3La0.7Fe0.35Cu0.65O3-δ(以下「BLFC0.65」ともいう。)を用いた。X線回折ピークから、この酸化物が、立方晶ABO3-δで表されるペロブスカイト構造の単相であることを確認した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、LSCFNを形成せずに固体電解質層に直接白金電極を形成した。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、Feを含むLSCFNに代えて菱面体晶ペロブスカイト構造を有するLa0.5Sr0.4Co0.9Ni0.1O3-δ(以下「LSCN」ともいう。)を用いた。これ以外は実施例1と同様にして固体電解質接合体10を含むデバイス20を得た。
実施例1において、Niを含むLSCFNに代えて、固相反応法で製造した菱面体系ペロブスカイト構造を有するLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(以下「LSCF」ともいう。)を用いた。出発原料には、酸化ランタン、炭酸ストロンチウム、酸化コバルト及び酸化鉄粉末を用いた。これらの粉末を秤量し、化学量論的比率で混合し、1200℃において3時間焼成を行った。焼成後、焼成物をボールミルで1時間粉砕してLSCFを得た(ブレークダウン法)。なお、第1電極層12及び第2電極層13に用いたLSCF粉末の走査型電子顕微鏡像を図3に示す。
実施例及び比較例で得られたデバイスについて、電流密度を以下の方法で測定した。その結果を以下の表1に示す。
測定は600℃で行った。大気中でデバイスの集電層間に直流0.5Vを印加し、電流密度を測定した。
Claims (11)
- 酸化物イオン伝導性を有し且つランタンを含む固体電解質と、ABO3-δ(Aはアルカリ土類金属元素であり、Bは遷移金属元素である。δは、A、B及びOの価数及び量に起因して生じる端数である。)で表される立方晶ペロブスカイト構造を有する酸化物からなる電極とが接合されてなり、
前記酸化物は、Aサイトの一部にランタンを含み且つAサイトに位置するすべての元素に占めるランタンの原子比が0.01以上0.80以下であり、
前記酸化物においては、
(i)Aサイトをランタン及びストロンチウムが占め、Bサイトを鉄、コバルト及びニッケルが占めるか;
(ii)Aサイトをランタン及びバリウムが占め、Bサイトを鉄が占めるか;又は
(iv)Aサイトをランタン及びバリウムが占め、Bサイトを鉄及び銅が占める、固体電解質接合体。 - 前記酸化物のAサイトに、ランタンを含み、更にバリウム及びストロンチウムからなる群より選択される一種以上の元素が少なくとも位置する請求項1に記載の固体電解質接合体。
- 前記酸化物のBサイトの少なくとも一部に鉄及び銅が位置する請求項1又は2に記載の固体電解質接合体。
- 酸化物イオン伝導性を有し且つランタンを含む固体電解質と、ABO3-δ (Bは鉄のみか、又は鉄及び鉄以外の少なくとも一種の遷移金属元素である。δは、A、B及びOの価数及び量に起因して生じる端数である。)で表される立方晶ペロブスカイト構造を有する酸化物からなる電極とが接合されてなり、
前記酸化物は、Bサイトに位置するすべての元素に占める鉄の原子比が0.1以上1.0以下であり、
前記酸化物においては、
(i)Aサイトをランタン及びストロンチウムが占め、Bサイトを鉄、コバルト及びニッケルが占めるか;
(ii)Aサイトをランタン及びバリウムが占め、Bサイトを鉄が占めるか;
(iii)Aサイトをバリウムが占め、Bサイトを鉄及び銅が占めるか;又は
(iv)Aサイトをランタン及びバリウムが占め、Bサイトを鉄及び銅が占める、固体電解質接合体。 - 前記酸化物の平均粒子径が1000nm以下であり、
前記酸化物の粒子の輪郭線の長さをDとし、該輪郭線のうち、隣り合う粒子と重なっている部分の長さをCとしたとき、C/Dの値が0.2以上である請求項4に記載の固体電解質接合体。 - 前記酸化物のX線小角散乱測定によって求めた二次粒子径P2(nm)に対する一次粒子径P1(nm)の割合であるP1/P2の値が、0.02以上である請求項4又は5に記載の固体電解質接合体。
- 前記酸化物のAサイトの少なくとも一部にバリウムが位置する請求項4ないし6のいずれか一項に記載の固体電解質接合体。
- 前記酸化物のBサイトに位置するすべての元素に占める銅の原子比が0.01以上1.0以下である請求項4ないし7のいずれか一項に記載の固体電解質接合体。
- 前記固体電解質がランタン及びケイ素の複合酸化物を含む請求項1ないし8のいずれか一項に記載の固体電解質接合体。
- 前記固体電解質が、一般式:A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+z(式中のAは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。式中のTは、Si若しくはGe又はその両方を含む元素である。式中のMは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Y、Zr、Ta、Nb、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)で表され、式中のxは-1.33以上1.50以下の数であり、式中のyは0.00以上3.00以下の数であり、式中のzは-5.00以上5.20以下の数であり、Tのモル数に対するAのモル数の比率が1.33以上3.61以下である複合酸化物を含む請求項1ないし9のいずれか一項に記載の固体電解質接合体。
- 前記固体電解質接合体において前記電極が配置されている面と反対側の面に、前記電極と同一の又は異なる電極が配置されている請求項1ないし10のいずれか一項に記載の固体電解質接合体。
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