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環境への取り組み

環境に優しいエネルギー
~セラミックス材料を用いた電気化学デバイス~

四国地区

2022年1月14日
四国地区

徳島大学 大学院社会産業理工学研究部 機械科学系
准教授 大石 昌嗣

はじめに

 地球環境問題への関心の高まりから、地球にやさしいエネルギーに関する様々な研究が注目されています。我々は、限りある地球資源を有効的に使うことを目標にして、クリーンで高効率なエネルギー変換技術として電気化学デバイス(蓄電池・燃料電池・固体照明)の研究を行っています。電気化学デバイスは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することから高いエネルギー変換効率を示します。我々は主に、無機固体材料(セラミックス材料)を用いた固体デバイスの研究に取り組んでいます。

固体イオニクス

 固体(セラミックス材料)内にイオンや電子が伝導することで、電池材料や蛍光体材料として機能します。周囲の雰囲気と平衡状態にある固体材料は、「定比例の法則」が厳密には成り立たず、構成比にある程度巾がある不定比組成を取っています。無機固体材料に積極的に欠陥を導入することで、大きな不定比組成を有する材料を作製し、イオン・電子導電性、機械特性、触媒特性などの特性を発現、及び制御します。

リチウムイオン二次電池

 化学エネルギーを電気エネルギーに変換する化学電池の中で、充電放電により繰り返し使うことができる蓄電池が二次電池です。その中でも、リチウムイオン電池(Lithium ion battery、 LIB)は高いエネルギー密度を示します。次世代LIBの高容量正極材料として、多量のLiイオンを脱離挿入する新規電極材料に関する研究を行っています。図1には次世代高容量正極材料の充放電特性と実験室のLIB評価装置の写真を示します。また、次世代の二次電池として全固体電池が注目されており、その機械強度に関する研究にも取り組んでいます。

図1 (a)リチウムイオン二次電池の充放電特性と(b)充放電評価装置 M. Oishi, et al., J. Power Sources, 222, 45-51 (2013).図1 (a)リチウムイオン二次電池の充放電特性と(b)充放電評価装置
M. Oishi, et al., J. Power Sources, 222, 45-51 (2013).

固体酸化物燃料電池

 化学エネルギーとしての水素燃料を連続的に供給して発電するのが燃料電池です。水素を用いることで、発電時に排気されるのは“水”のみであり、環境負荷の少ない発電システムです。固体酸化物形燃料電池(Solid oxide fuel cell: SOFC)は高温で作動することから高い発電効率を示します。SOFCはすべてセラミックス材料で構成されており、固体中のイオン(酸化物イオン、プロトン)及び電子の移動現象は固体内の欠陥構造に大きく依存します。固体内への積極的な欠陥導入による材料物性制御することで新規電極材料の開発を行っています。SOFC発電評価及び発電評価装置の写真を図2に示します。

図2 (a)固体酸化物燃料電池セルの発電特性と(b)実験室の発電装置図2 (a)固体酸化物燃料電池セルの発電特性と(b)実験室の発電装置

固体照明の蛍光体材料

 白熱ランプや蛍光灯の照明と比べて、高いエネルギー変換効率を示す固体照明が急激に普及してきました。固体照明では、光を出す配光部に蛍光体であるセラミックス材料が用いられています。固体照明の演色性・照度(効率) ・耐久性・散乱性・意匠性の向上、 また新規酸化物蛍光体材料の開発を行っています(図3)。

図3 (a) 固体照明と(b)酸化物蛍光体材料図3 (a) 固体照明と(b)酸化物蛍光体材料

おわりに

 皆さんが日常的に使っているお茶碗や急須などの陶器(セラミックス材料)が、将来の地球を救う新しいエネルギーになる、なんて思うと面白いですよね。身近な材料に工夫を加えることで、まったく新しい機能を有する材料を見つける研究に取り組んでみませんか?素晴らしい地球環境を更によくするために、環境にやさしいエネルギーの研究を一緒に取り組みましょう。

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