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摘要：研究小组通过对添加微量锂后进行低温烧结的氧化铈的组成和微细结构进行精密分析，阐明了在与金属熔点相当的低温下烧结代表性固态电解质氧化铈的条件及其机制，有望通过3D打印等附加制造快速制作燃料电池、制氢电池和全固态电池。

关键字：氧化物固态电解质、燃料电池、全固态电池、陶瓷固态电解质、低温烧结、氧化铈

有望应用于燃料电池和全固态电池的三维造型

要点

氧化物固态电解质的烧结需要1500℃高温。
添加Li-Si-Al系氧化物有助于900℃以下的氧化铈烧结。
有望通过3D打印等快速制作各种形状的燃料电池和全固态电池。

概要

为了快速制作各种形状的燃料电池和全固态电池，结合3D打印和激光烧结法的附加制造技术备受关注。但是，在传统方法中，烧结电池所必需的氧化物固态电解质时，需要高达1500℃左右的温度和长时间的处理，难以进行附加制造。此次，研究小组阐明了在与金属熔点相当的低温（900℃以下）下烧结代表性固态电解质氧化铈的条件及其机制（图1）。利用所得技术经验，有望快速制作重要的燃料电池、制氢电池和全固态电池。

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图1. 低温下氧化铈的晶粒成长

研究背景和课题

使用由氧化物陶瓷等构成的固态电解质的燃料电池、制氢电池和全固态电池表现出较高的效率。但是，在其制造过程中，必须在1500℃的高温下烧结陶瓷固态电解质且不能开裂，需要耗费大量的电力和时间。因此，陶瓷固态电解质并没有得到全面普及。于是，为能够简单且快速地制备固态电解质，相关研究者尝试了结合3D打印和激光烧结法的附加制造，但固态电解质的烧结温度高，存在无法烧结致密、热应力导致开裂等课题（图2）。

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图2. 燃料电池和全固态电池的附加制造示意图

迄今为止，全球范围内已经进行了诸多关于降低固态电解质烧结温度的研究。虽然已经知道向代表性固态电解质氧化铈中添加微量锂可以使烧结温度降低，但每个研究小组得到的效果和结论各不相同，导致可低温烧结氧化铈的条件和机制未得到阐明。

研究成果

本次，研究小组对添加微量锂后进行低温烧结的氧化铈的组成和微细结构进行了精密分析。结果发现，锂添加氧化铈中含有硅和铝，锂-硅-铝存在于氧化铈粒子的晶界中。热力学模拟表明，锂-硅-铝（Li-Si-Al）系氧化物的熔点低，为855℃，与金属熔点相当。

由此可知，在氧化铈的低温烧结机制中，低熔点氧化物熔融体的出现起到了重要作用（图3）。此前，不同研究小组研究得到的最佳锂添加量和效果不同，这是因为在氧化铈的热处理过程中，从含有大量氧化铝的耐火材料容器无意引入的铝量不同。

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图3. 促进铈系氧化物烧结的锂-硅-铝氧化物熔融体

未来展望

根据本研究，能够在与金属熔点相当的低温下烧结陶瓷固态电解质。利用本研究获得的技术经验，有望通过3D打印等附加制造快速制作燃料电池、制氢电池和全固态电池。此外，除了本次的研究对象氧化铈以外，锂-硅-铝系氧化物熔体还有望应用于其他难以烧结的氧化物的低温烧结。

在900℃以下的低温下烧结氧化物固态电解质的条件及机制的阐明