東京の研究者が安定かつ高導電性のリチウムイオン導体を発表

東京理科大学の科学者たちが、ピロクロア型酸化フッ化物形態の安定かつ高導電性のリチウムイオン導体を発見しました。 これは、非硫化物固体電解質の需要に対処する革新です。

全固体リチウムイオン電池 は、液体電解質に比べて安全性とエネルギー密度が向上していますが、導電性が低く電極との接触が不十分という課題に直面しています。非硫化物固体電解質は、より高い導電性と安定性を提供し、性能と安全性が向上した先進的な全固体リチウムイオン電池の道を開拓しています。

この研究論文はChemistry of Materialsに掲載されました。東京理科大学の藤本健次郎教授、相見章久教授、およびDENSO株式会社の吉田修平博士率いる研究チームが、ピロクロア型酸化フッ化物形態の安定かつ高導電性のLiイオン導体を発見しました。

固体電解質を備えた全固体リチウムイオン（Liイオン）電池は非可燃性であり、液体電解質を備えた電池よりもエネルギー密度と転移数が高いです。これらは、電気自動車などの従来の液体電解質リチウムイオン電池市場でシェアを獲得すると期待されます。

しかし、これらの利点にもかかわらず、固体電解質はLiイオンの導電性が低く、適切な電極との固体電解質との接触を実現するのに課題があります。硫化物系固体電解質は導電性がありますが、湿気と反応して有毒な硫化水素を生成します。したがって、導電性があり安定しており、安全性が高く急速充電が可能な非硫化物固体電解質の必要性があります。

藤本教授によると、「全固体リチウムイオン二次電池を製造することは、多くの電池研究者の長年の夢でした。我々は、エネルギー密度が高く安全性を兼ね備えた全固体リチウムイオン電池の鍵となる酸化物固体電解質を発見しました。この材料は空気中でも安定しており、これまで報告されていた酸化物固体電解質よりも高いイオン伝導度を示します。」

今回研究されたピロクロア型酸化フッ化物は、Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta) で表され、X線回折、リートベルド解析、誘導結合プラズマ光子発光分析、選択領域電子回折などのさまざまな技術を使用して構造や組成解析が行われました。特に、Li1.25La0.58Nb2O6Fが開発され、常温での体積イオン導電率が7.0 mS cm?¹、総イオン導電率が室温で3.9 mS cm?¹を示しました。

これは、既知の酸化物固体電解質のリチウムイオン導電性よりも高いことがわかりました。この材料のイオン伝導の活性化エネルギーは非常に低く、低温でのこの材料のイオン伝導性は、硫化物系材料を含めた既知の固体電解質のうちで最も高いものの一つです。実際、-10℃でも新しい材料は、従来の酸化物系固体電解質の室温時と同じ導電性を示します。さらに、100℃以上の導電性も確認されており、この固体電解質の運転範囲は-10℃から100℃です。従来のリチウムイオン電池は零下で使用できません。したがって、一般的に使用される携帯電話のリチウムイオン電池の運転環境は0℃から45℃です。

この材料におけるLiイオン伝導メカニズムが調査されました。ピロクロア型構造の伝導経路は、MO6オクタヘドロンによって作成されたトンネルに配置されたFイオンを包み込むものです。この伝導メカニズムは、Liイオンの順次移動とFイオンとの結合を変化させながらの進行を特徴とします。Liイオンは、常にメタ安定位置を通過しながら最寄りのLi位置に移動します。Fイオンに結合した不動のLa3+は、伝導経路を遮断し、周囲のメタ安定位置を消失させることでLiイオン伝導を阻害します。

既存のリチウムイオン二次電池とは異なり、酸化物ベースの全固体バッテリーにはダメージによる電解液漏れのリスクや硫化物ベースのバッテリーと同様の有毒ガス発生のリスクはありません。したがって、この新技術は将来の研究をリードすると期待されています。「新たに発見された材料は安全性が高く、これまで報告されていた酸化物ベースの固体電解質よりも高いイオン伝導性を示しています。この材料の適用は、広い温度範囲で動作できる革新的なバッテリーの開発に有望です。」と藤本教授は展望しています。「電気自動車向けに固体電解質の適用に必要な性能が満たされていると考えています。」

特筆すべきは、新しい材料は非常に安定しており、破損しても着火しません。安全性が重要な航空機などに適しています。高容量アプリケーション（電気自動車など）にも適しており、高温での使用が可能で急速充電をサポートします。さらには、電池の小型化や家電製品、医療機器にも有望な材料です。

要約すると、研究者たちは高導電性と空気中の安定性を備えたLiイオン導体の発見だけでなく、ピロクロア型酸化フッ化物の新しいタイプの超固体導体を導入しました。リチウム周りの局所構造の探索、導電中のダイナミックな変化、および固体電解質としての潜在性は、将来の研究における重要な分野です！

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このニュースは多くの人々に高レベルのバッテリーに関する興奮をもたらしました。一部の経済コストが欠けていることがいくつかの人々に開始ラインで一部の人々を残しています。この技術がより良い現行の製造技術と比較してどのように違うかは、製造コストの観点で議論されていません。

しかし、この点について検討している人々がいることは確かです。この技術は、約13° Fから212° Fで作動する着火しないリチウムイオン電池を提供します。可燃性でない側面は、多くの人々が想定するよりも重要です。

ただし、バッテリーにはかなりのエネルギーがコンパクトな空間にあります。リスクが何であるかはまだ開示されていません。しかし、驚くべきです！

これはいい見た目です。

Brian Westenhausによる記事は、こちら：New Energy and Fuel

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