【研究】東北大学：酸素導入で固体電解質の設計指針を確立

東北大学と九州大学、豊田理化学研究所、科学技術振興機構の研究チームは、次世代蓄電デバイスに不可欠な固体電解質の開発に向け、塩化物系材料へ酸素を導入することで室温で4.1mS/cmの高いイオン伝導度を示すガラスを実現した。酸素の構造的役割を理論と実験の両面から解析し、架橋酸素がネットワークをつなぎイオン移動を促す一方、非架橋酸素が過剰になると伝導を阻害する仕組みを明らかにした。ナトリウム酸化物と五塩化タンタルを組み合わせたガラス状固体電解質を体系的に合成し、酸素量の変化によりイオン伝導性が三段階で変化することを特定。最適組成での高伝導は、局所構造の変化によりイオン移動空間が広がることに起因するとした。

研究チームは放射光X線全散乱、ラマン分光、XPS、第一原理分子動力学シミュレーションを組み合わせ、酸素導入が構造変化とナトリウムイオン輸送に与える影響を詳細に評価した。酸素を少量導入すると構造がアモルファス化して伝導度が上昇し、中程度では架橋酸素が形成され高移動度を維持、過剰導入では非架橋酸素が増えてイオン移動が阻害される挙動を定量的に示した。複数の陰イオンを組み合わせるマルチアニオン設計により、従来イオン伝導に不利とされてきた酸素でも適切に制御すれば性能向上に寄与することが示された。未探索領域の広い材料系における新たな設計指針として、全固体電池の基幹材料開発を進展させる成果となる。

【出典】
▷酸素が拓く固体電解質の設計原理 －複雑なマルチアニオンガラスにおけるイオン輸送の仕組みを解明－
※本記事は一次情報をもとに生成AIを活用した要約です。詳細は公表資料をご確認ください。