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ユビキタスエネルギーの最新技術

  • Advanced Technologies for Ubiquitous Energy
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商品コード: T0501

  • 監修: 境哲男・小林哲彦
  • 発行日: 2006年5月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、329ページ
  • ISBNコード: 978-4-88231-565-0

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  • リチウムイオン電池,マグネシウム二次電池,ニッケル水素電池,電気二重層キャパシタ,リチウムイオンキャパシタ,燃料電池,DMFC,バイオ電池,水素貯蔵材料,熱電変換材料

刊行にあたって

 21世紀には、地球的規模での環境汚染、化石エネルギー資源の枯渇、高齢化などの問題を解決して、「環境と人間に優しい社会」を構築することが求められている。そのため、直接現場に足を運ばなくても社会・経済活動に参加することができるユビキタスネットワーク技術、自動車や住宅分野などでの省エネルギー技術や新エネルギー技術、高齢者を支援するロボット技術、などの研究開発が活発に進められている。これらの新技術を社会の中に導入するためには、二次電池や燃料電池などの携帯用・移動体用パワー源「ユビキタスエネルギー」の飛躍的な高性能化が不可欠となっている。
 本書では、ユビキタスエネルギー技術として、高容量化や高出力化をめざした多様な蓄電デバイス、多様な燃料電池システムとエネルギー貯蔵媒体、熱を電気に変換する熱電デバイス、エネルギー関連材料のナノレベルでの解析技術まで網羅して、世界最高水準の研究開発の状況を、材料開発から電池システムまで体系的にまとめたものである。執筆者もいま研究開発の最前線でご活躍されている方々で、刊行の趣旨をご理解頂き、限られた紙面の中に最近の開発状況をコンパクトにまとめて頂いた。本書が、これら領域の研究開発に従事される方々ばかりでなく、応用機器の開発に従事する方々にも活用して頂き、ユビキタスエネルギー技術の更なる発展に貢献できればと期待している。 
(「刊行にあたって」より抜粋)

2006年5月  企画監修 (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門
境 哲男、小林哲彦

著者一覧

小林哲彦   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 研究部門長;神戸大学併任教授
辰巳国昭   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 蓄電デバイス研究グループ グループ長
栄部比夏里   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 蓄電デバイス研究グループ 主任研究員
田渕光春   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 蓄電デバイス研究グループ 主任研究員
有吉欽吾   大阪市立大学大学院 工学研究科 助手
牧村嘉也   University of Waterloo Department of Chemistry 博士研究員
境 哲男   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 電池システム連携研究体長、神戸大学併任教授
松本 一   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 蓄電デバイス研究グループ 主任研究員
金村聖志   首都大学東京 都市環境学部 材料化学コース 教授
辰巳砂昌弘   大阪府立大学大学院 工学研究科 応用化学分野 教授
林 晃敏   大阪府立大学大学院 工学研究科 応用化学分野 助手
吉本信子   山口大学 工学部 応用化学工学科 助手
森田昌行   山口大学 工学部 応用化学工学科 教授
米津育郎   三洋電機(株) パワーグループ モバイルエナジーカンパニー R&Dユニット ユニットリーダー 兼 エナジー研究所長
藤谷 伸   三洋電機(株) パワーグループ モバイルエナジーカンパニー R&Dユニット 第1開発部 部長
吉村精司   三洋電機(株) パワーグループ モバイルエナジーカンパニー R&Dユニット 第1開発部 専任部長
西山浩一   (株)ジーエス・ユアサ コーポレーション 研究開発センター 第二開発部 課長
村田利雄   (株)ジーエス・ユアサ コーポレーション 研究開発センター 第三開発部 部長
園田輝男   (株)ジーエス・ユアサ コーポレーション 研究開発センター 第二開発部 部長
押谷政彦   (株)ジーエス・ユアサ コーポレーション 研究開発センター 常務執行役員 研究開発センター長
石川正司   関西大学 工学部 応用化学科 教授
吉野 彰   旭化成(株) 吉野研究室長 理事 旭化成グループフェロー
羽藤之規   富士重工業(株) スバル技術研究所 コア技術開発グループ 主査
佐藤正春   日本電気(株) 基礎・環境研究所 主任研究員
西野 敦   西野技術士事務所 所長 技術士
安田和明   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 次世代燃料電池研究グループ グループ長
藤原直子   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 次世代燃料電池研究グループ 研究員
五百蔵勉   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 次世代燃料電池研究グループ 研究員
城間 純   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 次世代燃料電池研究グループ 研究員
稲葉 稔   同志社大学 工学部 教授
小谷貴彦   旭化成ケミカルズ(株) 膜・エネルギー材料開発研究所 部長
西村靖雄   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
永井 功   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
山根昌隆   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
柳田昌宏   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 マイクロ燃料電池連携研究体 主任研究員
宮崎義憲   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 総括研究員 兼 マイクロ燃料電池連携研究体 連携研究体長
相馬憲一   (株)日立製作所 日立研究所 主管研究員
安達修平   ヤマハ発動機(株) コーポレートR&D本部 コア技術研究チーム 主管
坂口佳充   東洋紡績(株) 総合研究所 コーポレート研究所プロジェクトA リーダー
石原達己   九州大学大学院 工学研究院 応用化学部門 教授
池田篤治   福井県立大学大学院 生物資源学研究科 教授
辻村清也   京都大学大学院 農学研究科 助手
加納健司   京都大学大学院 農学研究科 教授
池谷知彦   (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) 燃料電池・水素技術開発部 主任研究員
栗山信宏   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 新エネルギー媒体研究グループ グループ長
田中秀明   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 新エネルギー媒体研究グループ 主任研究員
徐 強   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 新エネルギー媒体研究グループ 主任研究員
清林 哲   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 新エネルギー媒体研究グループ 研究員
塚原 誠   (株)イムラ材料開発研究所 研究開発部 主席研究員
市川貴之   広島大学 自然科学研究支援開発センター 物質機能研究開発部 助手
藤井博信   広島大学 自然科学研究支援開発センター 物質機能研究開発部 特任教授
大庭伸子   (株)豊田中央研究所 材料分野 計算物理研究室 研究員
三輪和利   (株)豊田中央研究所 材料分野 計算物理研究室 主任研究員
松村安行   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 電池システム連携研究体 主任研究員
岡田 治   (株)ルネッサンス・エナジー・リサーチ 代表取締役社長;東北大学大学院 工学研究科 応用化学専攻 コンビナトリアル計算化学寄附講座 教授
舟橋良次   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 主任研究員、(独)科学技術振興機構 CREST
清水 洋   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 研究グループ長
阿武宏明   山口東京理科大学 基礎工学部 電子・情報工学科 助教授
河本邦仁   名古屋大学大学院 工学研究科 教授
寺崎一郎   早稲田大学 理工学部 応用物理学科 教授
梶谷 剛   東北大学大学院 工学研究科 応用物理学専攻 教授
大瀧倫卓   九州大学大学院 総合理工学研究院 物質科学部門 助教授
小林卓哉   小松エレクトロニクス(株) 素子開発部 モジュール開発Gr
香山正憲   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 ナノ材料科学研究グループ グループ長・総括研究員
田中真悟   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 ナノ材料科学研究グループ 研究員
岡崎(前田)一行   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 ナノ材料科学研究グループ JST研究員
秋田知樹   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 ナノ材料科学研究グループ 研究員
田中孝治   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 ナノ材料科学研究グループ 主任研究員
蔭山博之   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 燃料電池機能解析研究グループ 主任研究員
竹市信彦   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 燃料電池機能解析研究グループ 研究員
谷本一美   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 副部門長
小林弘典   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 蓄電デバイス研究グループ 主任研究員
菅野了次   東京工業大学 大学院総合理工学研究科 教授
齋藤唯理亜   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 電池システム連携研究体 主任研究員

目次

第1編 ユビキタスエネルギーの目指すもの

第2編 蓄電デバイスの高性能化
第1章 高容量化への挑戦
1. リチウム二次電池の多様化と今後の展開
1.1 はじめに
1.2 リチウム二次電池の特徴
1.2.1 リチウム二次電池とリチウムイオン二次電池の動作原理
1.2.2 高い出入力密度・充放電エネルギー効率
1.3 リチウム二次電池用材料
1.3.1 負極材料
1.3.2 正極材料
1.3.3 電解質材料
1.4 おわりに―今後の高容量化に向けて

2. リチウム電池正極材料の研究動向と課題
2.1 はじめに
2.2 コバルト・ニッケル系リチウムインサーション材料
2.3 高電圧・高容量マンガン系リチウムインサーション材料
2.4 (コバルト)・ニッケル・マンガン系リチウムインサーション材料
2.5 リン酸塩系リチウムインサーション材料
2.6 おわりに

3. リチウム二次電池用合金系負極の開発状況と課題
3.1 はじめに
3.2 合金系負極材料の開発状況と分類
3.2.1 合金系材料の分類
3.2.2 合金系材料の製造技術からの分類
3.2.3 合金系材料の反応機構からの分類
3.3 高容量化と長寿命化のための研究開発
3.3.1 スズ合金系ナノ材料
3.3.2 スズ合金めっき電極
3.3.3 シリコン系薄膜電極
3.4 おわりに

4. イオン液体の開発状況と展望
4.1 はじめに
4.2 電解質素材としてのイオン液体
4.3 イオン液体開発状況
4.4 おわりに

5. リチウム金属負極の開発状況と課題
5.1 はじめに
5.2 リチウム金属負極のエネルギー密度
5.3 リチウム金属負極の電気化学反応
5.4 リチウム金属の形態変化と表面化学
5.5 リチウム金属の作製方法と表面
5.6 リチウム金属負極の可能性
5.7 今後の展開

6. Li固体電解質の開発状況と課題
6.1 はじめに
6.2 ポリマー固体電解質
6.3 無機固体電解質
6.4 電池の全固体化にむけた課題と展望

7. マグネシウム二次電池を指向した材料化学
7.1 はじめに
7.2 二次電池化の試み
7.2.1 負極マグネシウムの可逆性
7.2.2 正極材料の探索
7.2.3 ポリマー電解質の可能性
7.3 おわりに

8. 携帯用Liイオン電池の高性能化
8.1 はじめに
8.2 正極材料
8.2.1 安全性向上と低コスト化を実現したスピネルマンガン酸化物とコバルト酸リチウムの混合正極
8.2.2 高充電電圧化により高容量を実現したLi-Ni-Mn-Co複合酸化物とコバルト酸リチウムの混合正極
8.2.3 高温保存特性に優れたLi-Ni-Mn-Co複合酸化物とスピネルマンガンの混合正極
8.2.4 オリビン構造を持つリン酸鉄リチウムとコバルト酸リチウムからなる耐過充電特性に優れた二層構造正極
8.3 負極材料
8.4 おわりに

9. 産業用リチウムイオン二次電池の開発と応用展開
9.1 一般産業用リチウムイオン二次電池
9.1.1 電池の仕様と特徴
9.1.2 性能
9.1.3 モジュール電池の構造と監視装置
9.1.4 用途と応用展開
9.2 宇宙用および深海用リチウムイオン二次電池
9.2.1 宇宙用リチウムイオン二次電池
9.2.2 深海用リチウムイオン二次電池

第2章 高出力化への挑戦
1. HEV用ニッケル水素電池の開発状況
1.1 はじめに
1.2 HEVの商品化の現状
1.3 HEV用ニッケル水素電池の実用化
1.3.1 パナソニックEVエナジー/松下電池工業(株)
1.3.2 三洋電機(株)
1.3.3 (株)ジーエス・ユアサ コーポレーション
1.4 新型HEV用ニッケル水素電池の研究開発
1.5 おわりに

2. HEV用リチウムイオン電池の開発
2.1 はじめに
2.2 自動車用リチウムイオン二次電池開発のための産学官連携プロジェクト
2.2.1 日本における大容量リチウム二次電池開発プロジェクト
2.2.2 米国での大容量リチウムイオン二次電池開発プロジェクト
2.2.3 その他の国でのリチウムイオン二次電池開発プロジェクト
2.3 その他の自動車用リチウムイオン二次電池の開発動向
2.4 おわりに

3. 電気二重層キャパシタの開発状況と課題
3.1 はじめに
3.2 電気二重層キャパシタの特徴と位置づけ
3.2.1 キャパシタンス(静電容量)と各特性
3.2.2 キャパシタの蓄電量・エネルギー密度の見積もり
3.2.3 電気二重層キャパシタ性能の位置づけ
3.3 電気二重層キャパシタ用新規材料の探索
3.3.1 活性炭系物性と蓄電特性との相関・改良提案
3.3.2 ナノカーボン系
3.4 おわりに

4. リチウム型新蓄電デバイスの開発
4.1 はじめに
4.2 現在のエネルギーデバイスの現状と三つの課題
4.3 高パワーエネルギーデバイスの技術動向
4.4 新規蓄電素子の紹介
4.4.1 新規蓄電素子の基本構成
4.4.2 新規蓄電素子の基本特性
4.5 まとめ

5. リチウムイオンキャパシターの開発
5.1 はじめに
5.2 基本構成
5.3 リチウムイオンプレドープ法
5.4 動作原理
5.5 特徴
5.5.1 高電圧
5.5.2 高容量
5.5.3 高エネルギー密度
5.5.4 高出力・長寿命・安全性
5.5.5 コストパフォーマンス
5.6 2000F大型LICセル
5.6.1 出力/エネルギー特性
5.6.2 耐久性
5.6.3 その他諸特性
5.7 おわりに

6. 高出力有機ラジカル電池の開発
6.1 はじめに
6.2 有機ラジカル電池の動作原理と特徴
6.3 PTMAを活物質とする高出力電池
6.4 バックアップ用高出力有機ラジカル電池
6.5 有機ラジカル電池の用途開発の展望

7. 電気二重層キャパシタの動向とコイン型の動向
7.1 EDLCの概要
7.2 大型~コイン型EDLCの最新の世界動向
7.3 EDLC関連のセミナー、国際会議
7.4 コイン型の現状と品種
7.4.1 コイン型の概要
7.4.2 コイン型EDLCの製品の歴史と展望
7.5 現状の課題と将来展望
7.5.1 活性炭
7.5.2 電解質、溶媒
7.5.3 バインダー
7.5.4 成形加工方法
7.5.5 漏液、シール剤
7.5.6 今後の展望

第3編 燃料電池の高性能化
1. 燃料電池の多様化と今後の展開
1.1 ユビキタスエネルギー技術としての燃料電池
1.2 純水素を燃料とする燃料電池
1.3 改質水素を燃料とする燃料電池
1.4 ダイレクトメタノール燃料電池
1.5 ダイレクトアルコール燃料電池等
1.6 ヒドラジン燃料電池等
1.7 アスコルビン酸燃料電池
1.8 バイオ燃料電池
1.9 燃料電池の今後の展開

2. 燃料電池と劣化機構と開発課題
2.1 はじめに
2.2 家庭用燃料電池セルスタックの劣化現象および開発課題
2.2.1 カソード触媒の反応面積の減少
2.2.2 カソードの濡れ
2.2.3 アノード触媒の耐CO被毒性の低下
2.2.4 電解質膜劣化
2.3 ダイレクトメタノール燃料電池の劣化現象および開発課題
2.4 おわりに

3. 高分子固体電解質膜の高性能化
3.1 はじめに
3.2 高分子固体電解質膜の実用化に向けた課題
3.3 高分子固体電解質膜の高性能化の状況
3.3.1 高温・低加湿作動用の膜開発の状況
3.3.2 長期耐久性
3.4 おわりに

4. マイクロ燃料電池の標準化・安全性評価
4.1 はじめに
4.2 国内外標準化動向
4.3 規制適正化の動向(燃料カートリッジの航空機持ち込みに向けた動き)
4.4 マイクロ燃料電池に関する基盤技術開発
4.5 おわりに

5. 携帯機器用DMFCの開発と利用
5.1 はじめに
5.2 DMFCの動作原理と材料の開発課題
5.2.1 触媒
5.2.2 電解質膜
5.2.3 MEA
5.3 DMFCの構造
5.4 試作状況
5.5 おわりに

6. 移動体用DMFCの開発と利用
6.1 四輪車用
6.2 二輪車用
6.3 その他の移動体への応用と課題

7. DMFC用炭化水素系電解質膜の開発状況
7.1 はじめに
7.2 DMFC用高分子電解質膜に求められる特性
7.3 炭化水素系膜の開発状況
7.4 おわりに

8. 低温作動型酸化物固体電解質燃料電池の現状
8.1 はじめに
8.2 新規酸素イオン伝導体としてのLaGaO3系酸化物とその薄膜化
8.3 LaGaO3系酸化物の薄膜化と超低温作動型SOFCの開発
8.4 おわりに

9. 生物燃料電池の開発状況と課題
9.1 はじめに
9.2 バイオ電池の原理
9.3 バイオ電池の特徴
9.4 バイオ電池の課題
9.4.1 最大電流
9.4.2 酵素耐久性と固定化
9.4.3 多電子酸化反応系
9.4.4 直接電子移動
9.4.5 作動形態
9.4.6 酵素
9.5 おわりに
10. 燃料電池・水素エネルギー技術開発に関わる国家プロジェクトの展開
10.1 国家プロジェクトにおける燃料電池・水素エネルギー技術開発の展開
10.2 NEDO技術開発機構での推進
10.3 将来の循環型エネルギー社会に向けて

第4編 次世代エネルギー貯蔵媒体
1. 水素貯蔵材料の多様化と今後の展開
1.1 はじめに
1.2 水素吸蔵合金
1.3 無機系水素貯蔵材料
1.3.1 アラネート系水素貯蔵材料
1.3.2 アミド系水素貯蔵材料
1.3.3 テトラヒドロ化合物の加水分解水素発生
1.3.4 窒素ホウ素系水素化物
1.4 有機系水素貯蔵材料
1.5 炭素系材料
1.6 多孔質金属錯体化合物
1.7 水素包接化合物
1.8 おわりに

2. バナジウム系合金及び超積層型合金
2.1 バナジウム系合金
2.2 超積層型合金
2.3 おわりに

3. アラネート系水素貯蔵材料
3.1 はじめに
3.2 Bodganovicらの発見
3.3 謎のTi添加物
3.4 今後の展開

4. アミド-イミド系水素貯蔵材料
4.1 はじめに
4.2 Li-N-H系水素貯蔵材料
4.3 反応機構
4.4 Li-Mg-N-H系
4.5 その他のアミド-イミド系材料に関する話題
4.6 おわりに

5. 計算科学を活用した新規水素貯蔵材料の設計
5.1 はじめに
5.2 理論予測
5.3 実験との比較
5.4 CaSiH1.3
5.5 おわりに

6. ポータブル水素製造システムの開発状況と課題
6.1 はじめに
6.2 既存の炭化水素改質技術
6.3 定置型水素供給器
6.4 可搬型水素供給器
6.5 携帯用水素供給器

7. 車載式水素供給システムの比較
7.1 はじめに
7.2 圧縮水素による水素の輸送・貯蔵
7.3 液体水素による水素の輸送・貯蔵
7.4 水素貯蔵材料による水素の輸送・貯蔵
7.4.1 水素吸蔵合金
7.4.2 有機系水素貯蔵材料
7.5 車載水素供給システムの比較
7.6 おわりに

第5編 熱電材料の高性能化
1. 熱電材料の多様化と今後の展開
1.1 熱電発電のメカニズムと特長
1.2 これまでの熱電材料
1.3 これからの熱電材料
1.4 世界の動向

2. 金属系熱電材料の開発状況
2.1 はじめに
2.2 スクッテルダイト化合物
2.3 クラスレート化合物
2.4 おわりに

3. 酸化物熱電変換材料の創製
3.1 はじめに
3.2 CREST研究の概略
3.3 トピックス
3.3.1 N型酸化物熱電ナノブロックの探索・設計
3.3.2 界面2DEGによる巨大熱電変換性能の発現
3.3.3 ナノブロックインテグレーションの物理的基礎
3.3.4 新規熱電酸化物半導体の発見と構造解析
3.3.5 選択的フォノン散乱ブロックの設計と熱伝導率低減
3.3.6 Ca3Co4O9セラミックスの高性能化
3.3.7 酸化物熱電モジュールの作製と発電評価

4. 応用機器―冷却モジュール
4.1 ペルチェ冷却の原理
4.2 ペルチェ冷却の基礎式
4.3 ペルチェ冷却モジュール
4.3.1 1段モジュール
4.3.2 多段モジュール
4.4 ペルチェ冷却の特徴と応用
4.4.1 光通信部品
4.4.2 半導体プロセス製品
4.4.3 センサー
4.4.4 理化学機器
4.4.5 その他

5. 小型酸化物熱電モジュール
5.1 熱電発電のユビキタス応用
5.2 熱電酸化物素子
5.3 小型熱電モジュールの作製と発電特性
5.4 おわりに

第6編 エネルギー材料技術を支える高度解析技術
1. 計算科学からの挑戦:金属/無機ナノへテロ界面の機能設計に向けて
1.1 計算科学と界面機能材料
1.2 計算科学の到達点と課題
1.2.1 電子構造計算法
1.2.2 第一原理分子動力学法
1.2.3 より高精度の計算を目指して
1.3 界面機能材料への適用
1.3.1 金/酸化チタン界面:金ナノ触媒の解明を目指して
1.3.2 アルミナ/銅界面:ナノコーティング界面設計
1.3.3 様々なユビキタスデバイス機能材料:SiC材料
1.3.4 燃料電池電極触媒の解明と設計
1.4 おわりに

2. ナノの世界を探るTEM解析技術
2.1 はじめに
2.2 透過型電子顕微鏡
2.3 走査型透過電子顕微鏡法(STEM)と局所分析
2.4 固体高分子形燃料電池の構造解析への応用
2.5 おわりに

3. 放射光を利用した解析技術
3.1 はじめに
3.2 XAFS(X線吸収端微細構造)解析
3.2.1 XAFS解析の特徴
3.2.2 ガラス電解質型全固体リチウム電池のin-situ解析
3.3 粉末X線回折解析
3.3.1 放射光を用いた粉末X線回折解析の特徴
3.3.2 放射光を用いた粉末X線回折解析の水素吸蔵材料への応用
3.4 今後の展望

4. 中性子線回折を利用した解析技術

5. 磁場勾配NMRを利用した解析技術
5.1 拡散係数の測定の原理と手法
5.2 イオン易動度の測定の原理と手法
5.3 測定から得られる拡散係数と易動度
5.4 各物性値の見積もり
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