電気化学：強相関ペロブスカイト燃料電池

燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものであり、従来の熱機関と比較して効率が高く環境面で利点がある。イットリア安定化ジルコニアは、安定で1に近いイオン輸率を示すため、おそらく固体酸化物燃料電池（SOFC）の電解質として最も有力な材料である。より優れたイオン伝導性を持つ材料は存在するが、そうした材料は、燃料界面の還元性環境にさらされたときの電子リーク抑制能力によって制限されることが多い。こうした電子リークは燃料電池の出力を低下させ、これに伴う化学機械的応力によって電解質膜が壊滅的に破壊されることもある。今回我々は、イオン伝導性の維持をカチオン置換に依存する従来の電解質設計から脱却し、代わりに、初期のイオン伝導性と電子伝導性が高いペロブスカイト型ニッケル酸塩を電解質として用いた。こうした酸化物の多くは相関電子系でもあることから、自発的な水素取り込みによって生じるフィリング制御型モット転移を通して、電子伝導を抑制できる可能性がある。我々は、そうしたニッケル酸塩を自立膜形状の電解質として用いることで、高性能の低温微細加工SOFCを実証した。ペロブスカイト型ニッケル酸塩のイオン伝導性は、同じ温度領域で最高性能の固体電解質に匹敵し、活性化エネルギーが非常に低い。今回の結果は、強電子相関に起因して創発的特性を示す高性能材料の設計戦略を提示するものである。

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