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イオン伝導体の材料技術と測定方法    
[コードNo.11STA072]

■体裁/ B5判上製本 339ページ
■発行/ 2011年12月22日 サイエンス&テクノロジー(株)
■定価/ 64,800円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-86428-033-4
 
★今注目のイオン伝導材料を、高分子材料・無機材料の両側面でまとめた斬新書!
★各応用技術も構成し、正しいイオン伝導度の測り方までもがこの1冊でわかる!

書籍趣旨

 近年、電池・エネルギーデバイス、太陽光発電、センサーなどを中心にさらなる性能向上のためのキーマテリアルとして、高いイオン伝導性を有する材料が求められています。

 そのような中、イオン伝導ポリマー(高分子材料)の材料開発をまとめた新しい書籍の要望も多く、また超イオン導電体(無機材料)の開発も進んでいます。また、インピーダンス測定などによるイオン伝導度の測定も重要技術です。さらに、イオン伝導材料をまとめた新しい技術専門書は、ほとんど見受けられません。(※当社調べ)

 そこで、各方面の専門家の方々にご協力をいただき、高分子材料側(イオン伝導性ポリマー)と無機材料側(超イオン導電体)、固体・液体、また各応用での材料技術やイオン伝導度の測定方法を本書に取り入れ、一方向だけではなく、さまざまな方向から学べる書籍を企画いたしました。
 本書が、ものづくりにおけるさらなる性能向上のためにお役立ていただけますと幸いです。
(書籍編集部)

著者

緒方直哉(有)緒方材料科学研究所、千歳科学技術大学名誉教授、上智大学名誉教授
奥村壮文(株)日立製作所
西村伸九州大学
河野通之エレクセル(株)
富永洋一東京農工大学
北島峻輔東京農工大学
米丸裕之日本ゼオン(株)
京兼純明石工業高等専門学校
英謙二信州大学
淵上壽雄東京工業大学
稲木信介東京工業大学
南秀人神戸大学
安仁屋勝熊本大学
高橋東之茨城大学
淡野照義東北学院大学
牧浦理恵大阪府立大学
北川宏京都大学
古澤伸一群馬大学
松田厚範豊橋技術科学大学
日下部征信新潟工科大学
印田靖(株)オハラ
中島薫LIB技術アドバイザー&コンサルタント、元・ソニー(株)
韓礼元(独)物質材料研究機構
柳田真利(独)物質材料研究機構
島本秀樹パナソニック エレクトロニックデバイス(株)
前嶋宏行パナソニック エレクトロニックデバイス(株)
三宅直人旭化成イーマテリアルズ(株)
濱上寿一久留米高等専門学校
安積欣志(独)産業技術総合研究所
河村純一東北大学

目次

第1章イオン伝導材料の特性・開発動向と特性向上【有機材料:固体(ポリマー)、ゲル】
第1節有機イオン伝導材料の研究動向と合成の設計指針
1リチウム電池用固体高分子電解質の開発
2リチウムイオン電池用固体高分子の今後の方向
3燃料電池用固体高分子電解質の開発
4太陽電池用固体高分子電解質の開発
5今後の展開
第2節カーボネート系ポリマーによるイオン伝導度の向上
1ポリマー電解質の研究開発動向と実用化への課題
2脂肪族ポリカーボネートのポリマー電解質への適用
2.1Li+輸率
2.2エーテル及びカーボネート中での7Li電子状態
2.3PEC系ポリマー電解質の力学的挙動
2.4Li塩のPECへの溶解性と配位モデル
2.5イオン伝導度評価
第3節イオン伝導性高分子
1ポリエチレンオキシド鎖を構造にもつイオン伝導性高分子と導電機構
1.1ポリエチレンオキシド鎖を構造にもつイオン伝導性高分子
1.2イオン伝導性高分子の導電機構
2ポリエチレンオキシド鎖を構造にもつイオン伝導性高分子のイオン導電率向上の試み
3新しいイオン伝導性高分子の研究動向
第4節超臨界二酸化炭素処理による固体高分子電解質複合材料の解離促進とイオン伝導挙動への影響
1研究背景
2scCO2処理によるポリエーテル/金属塩複合体のイオン伝導特性
3scCO2処理によるポリエーテル/クレイ複合体のイオン伝導特性
第5節ポリエーテル系の固体電解質
1イオン伝導度の改良
1.1塩の添加量増加
1.2配位子の添加
1.3高解離性リチウム塩への変更
1.4セラミックフィラーの添加
1.5コモノマーの導入
1.6ポリマーの末端数の増加
1.7可塑剤の添加
1.8使用環境温度の上昇
1.9他のイオン伝導体との複合
1.10イオン伝導度の改良のまとめ
2イオン伝導度以外の改良
2.1耐電圧の向上
2.2輸率の向上
3OAロール用途での開発例
3.1電子写真プリンタ
3.2ヒドリンゴムの改良
第6節高イオン導電性フッ素系ゲル電解質
1フッ素系ゲル電解質の作製
1.1フッ素系オリゴマー類の合成
1.2フッ素系オリゴマー類のゲル化
2フッ素系ゲル電解質のイオン導電率の改善と向上
2.1各種Li塩導入ゲル電解質の特性
2.2ビニルホスホン酸(VPA)導入ゲル電解質の特性
2.3イオン性液体導入ゲル電解質の特性
3フッ素系ゲル電解質の色素増感太陽電池への応用
3.1ヨウ化物、イオン性液体を導入した太陽電池セル
3.2逆電子移動抑制を考慮したゲル電解質の改善
3.3ピリジン添加による変換効率の向上について
第7節イオン性液体のためのゲル化剤の開発とそのゲル電解質
1ゲル化剤とは
2イオン性液体
3イオン性液体のためのゲル化剤
4イオン性液体ゲルの特徴
4.1イオン性液体ゲルの強度
4.2イオン性液体ゲルの熱安定性
4.3イオン性液体ゲルのイオン伝導度
4.4イオン性液体・炭酸プロピレン混合系ゲル
4.5リチウム塩を添加したイオン性液体のゲル化
第2章イオン伝導材料の特性・開発動向と特性向上【有機材料:液体】
第1節イオン液体の構造と物性および電解反応への応用
1イオン液体の構造と物性
1.1イオン液体の構造
1.2イオン液体の構造と物性との関係
1.2.1イオン液体の親疎水性
1.2.2イオン液体の融点、水素結合、粘度
1.2.3イオン液体の極性
2イオン液体の電気化学的特性
2.1イオン液体の導電率
2.2イオン液体の電気化学的安定性(電位窓)
3イオン液体中でのボルタンメトリー
4イオン液体中での有機電解反応
4.1ケトン類の電解還元カップリング反応
4.2電解還元的脱ハロゲン化反応
4.3CO2の電解還元的固定
4.4有機化合物の電解酸化的カップリング反応
4.5有機化合物の選択的電解フッ素化
4.6導電性高分子の電解合成
5無機電解への応用
第2節イオン液体におけるカプセル化・高機能ポリマー微粒子化
1イオン液体カプセル粒子
2イオン液体ポリマー粒子
3イオン液体・イオン液体ポリマーを表面に付与した機能性微粒子
4イオン液体を含有した感温性ポリマー微粒子の合成
第3章イオン伝導材料の特性・開発動向と特性向上【無機材料:固体(ガラス・セラミックス)】
第1節高速イオン移動現象の基礎とそれを応用した超イオン導電材料の設計
1超イオン導電体の基礎物性と結合揺らぎモデル
2超イオン導電体の設計の例
2.1RbAg4I5や安定化ジルコニアの合成
2.2粒子のサイズとイオン伝導
2.3ガラス中でのα-AgIの凍結
2.4ペロブスカイト型リチウムイオン導電体の開発
2.5ペロブスカイト型構造のトレランス・ファクターとイオン伝導度
2.6多価イオン導電体の開発
2.7コンポジット系イオン導電体とその展開
3新しい観点からのイオン導電材料設計の可能性
3.1結合ゆらぎモデルの観点から
3.2超イオン導電ガラスの中距離構造
3.3超イオン導電ガラスのネットワーク構造の膨張と平均電気陰性度
3.4平均電気陰性度とガラス形成能
3.5超イオン導電体における輸送熱
3.6イオン導電体と光学的性質
3.7イオン液体
第2節超イオン導電体の構造・物性と結晶化学
1α-AgI型構造
2β-Mn型構造
3蛍石型構造
3.1CuI
3.2ZrO2
3.3CaF2
4ペロブスカイト型構造
4.1酸素イオン導電体
4.2プロトン導電体
4.3リチウムイオン導電体
5NASICON型構造
6β-アルミナ型構造
7ホランダイト型構造
8ガラス
第3節超イオン導電体の光学的特性
1光学定数、光と物質の相互作用
2紫外・可視スペクトル
3赤外・遠赤外スペクトル
4テラヘルツ・ミリ波分光とコヒーレントイオン伝導の可能性
5カラーセンター
6超イオン導電ガラスの銀樹枝状晶成長
第4節ヨウ化銀ナノ粒子の室温超イオン伝導と相転移のナノサイズ効果
1ヨウ化銀超イオン伝導体
1.1イオン伝導特性
1.2結晶構造
2ヨウ化銀ナノ粒子の作製と同定
2.1合成方法
2.2透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscopy)
2.3粉末X線回折(XRD:X-ray diffraction)測定による合成直後の結晶構造の確認
3相転移挙動の解明
3.1ヨウ化銀の構造相転移
3.2示差走査熱量測定(DSC:Differential scanning calorimetry)
3.3放射光X線を用いた温度可変粉末XRDによる構造相転移の確認温
411nmナノ粒子のイオン伝導特性
4.1交流インピーダンス法と測定用プローブ
4.2イオン伝導度の温度依存性
5固体109Ag核磁気共鳴法(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)によるAgIナノ粒子内でのAg+イオン挙動の観測
6まとめの今後の展開
第5節無機酸化物イオン導電体材料と薄膜化および応力センサー
1Pulsed laser deposition(PLD)法による薄膜作製
2無機酸化物リチウムイオン導電体薄膜のイオン伝導
2.1イオン伝導測定用試料の構成
2.2薄膜の経時効果
2.3薄膜の熱処理効果
2.4アモルファスLLTO薄膜のイオン伝導
2.5珪酸リチウム系イオン導電体薄膜
3応力センサー
第6節無機固体酸イオン伝導体とその複合化
1ヘテロポリ酸
2オキソ酸塩
3硫酸水素セシウム−リン酸水素セシウム系複合体
4オキソ酸塩−ヘテロポリ酸系複合体
第7節イオン伝導ガラス −イオン伝導とガラス構造・評価−
1通常のガラス中のイオン伝導
2超イオン導電ガラス
3臭化銀を含有する超イオン導電ガラスとガラス構造の評価
3.1AgBr-Ag2B2O4系ガラス
3.2電子状態計算による化学結合の評価
4超イオン導電ガラスの特性向上
第8節イオン伝導性ガラスセラミックス
1酸化物系固体電解質
2酸化物系ガラスセラミックス電解質
3固体電解質の新しい応用
4新しいガラスセラミックス電解質
第4章イオン伝導性材料の応用技術 −どのように性能向上しているか?−
第1節リチウムイオン二次電池
1LIBのビジネス現状・将来展望
2LIBの技術
3電解液とイオン伝導
4電解液とセパレータ
5電解液とSEI
6ゲル電解質LIBの商品化とイオン導電率
7まとめ
第2節イオン液体を用いた色素増感太陽電池
1色素増感太陽電池におけるイオン液体電解液の適正条件
1.1ヨウ素イオン(I−とI3−)のバルク電解液中の輸送
1.2TiO2/色素/電解液の多孔構造界面におけるヨウ素イオンの輸送
2イオン液体電解液の研究例
2.1粘度に関する研究
2.2界面との相互作用に関する研究例
2.3電荷交換反応を利用した研究例(ナノコンポジット)
第3節電気二重層キャパシタ用電解液の性能向上
1電気二重層キャパシタ
1.1電気二重層キャパシタの歴史
1.2電気二重層キャパシタの原理と特徴
1.3キャパシタセルの形状
1.4キャパシタセルの構成
1.5キャパシタの性能
2電気二重層キャパシタ用電解液
2.1電解液に求められる特性
2.2一般的な電解液構成
2.3アルカリ抑制機能の実現
2.4耐電圧特性の向上
2.5第一原理計算による電解液の耐電圧シミュレーション
2.6新電解液を適用した製品の特性評価
第4節燃料電池への応用
1固体高分子形燃料電池について
2フッ素系電解質膜について
3フッ素系電解質膜の課題
4旭化成イーマテリアルズにおける取り組み
第5節水素ガスセンサ
1オプティカル水素センサ
2ゾル−ゲル法と温水処理法を用いたチタニア系オプティカル水素センサ
3交互積層法を用いたリンタングステン酸系オプティカル水素センサ
第6節イオン導電性高分子アクチュエータ
1イオン導電性高分子金属複合体(Ionic Polymer Metal Composite, IPMC)
1.1概要、動作原理
1.2フッ素系イオン交換樹脂
1.3作製法
1.4異なるイオンによる動作の特徴
2カーボンナノチューブ(CNT)アクチュエータ
2.1概要、作製法、動作原理
2.2イオンによる動作の特徴
2.3CNTアクチュエータのインピーダンスモデル
3イオン導電性ベース高分子アクチュエータの応用
3.1バイオミメティックロボット
3.2能動カテーテル
3.3触覚・点字ディスプレイ
第5章イオン伝導度の測定方法
1イオン伝導度の測定手法
1.1分極とイオン伝導
1.2交流インピーダンス法によるイオン導電率測定
1.3インピーダンス測定装置
1.4交流ブリッジ法
1.5直流ステップ法
1.6直流法
2液体のイオン伝導度測定法
3固体のイオン伝導度測定法
3.1イオン伝導性固体の評価手順
3.2イオン伝導か電子(ホール)伝導か分からない場合
3.3伝導イオン種が分かっている場合
3.4試料の調整
3.5電極の種類
(1)可逆金属電極
(2)可逆ガス電極
(3)イオンブロッキング電極
(4)電子ブロッキング電極
3.6電極の形状
(1)柱状2端子電極
(2)柱状4端子電極
(3)板状2端子電極
(4)3端子ガード電極
(5)薄膜用クシ状電極
3.7測定セルと配線
4イオン輸率の測定方法
4.1イオン伝導度と電子伝導度の分離
(1)Tubandt法
(2)起電力法
(3)Hebb-Wagnerの直流分極法
(4)気相平衡の利用(不定比性酸化物の場合)
(6)電子ブロッキング法
(7)その他の輸率測定法
5複合体・不均一系のイオン伝導度
5.1不均一系のイオン伝導度を表す式
6まとめとイオン伝導度の基本的問題
7補遺 電気回路と複素インピーダンス
7.1回路要素のインピーダンスと等価回路表示
7.2応答関数と複素アドミッタンスの一般理論



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