全固体電池の有力材料の仕組みを解明、高性能化に期待：蓄電・発電機器

新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクトで、京都大学などの研究グループは、酸化物ガラスよりもリチウムイオン伝導率の高い硫化物ガラスの構造とイオン伝導の相関性について原子・電子レベルでの解明に成功した。新しいガラス電解質を用い、蓄電池の大幅な特性向上につながることが期待される。

[長町基，スマートジャパン]

　プラグインハイブリッド自動車（PHEV）や電気自動車（EV）の走行距離を延伸させるため、搭載されているリチウムイオン電池の電気容量や安全性の向上、小型化を目指し、リチウムイオン電池に使用されている電解液を固体電解質に変えた全固体電池（電解質が固体であり、液体を含まない二次電池）の開発が活発に行われている。

　さまざまな固体電解質の中でも、リン導入硫化物（Li2S-P2S5系）ガラスは、高いイオン伝導率（イオンの移動のし易さ）を示し、材料の組成（混合比率）や構造の乱れ具合によってリチウムイオン伝導率が異なることが知られている。

　全固体電池の性能に大きな影響を与えるイオン伝導のメカニズムなどを解明し、リチウムイオン伝導性を高くして電池特性を向上させるための指針を得ることを目指し、京都大学などの研究グループは今回の研究の中で、高エネルギーX線および中性子線による回折実験と第一原理理論計算シミュレーションなどの複数の解析技術を組み合わせ、リン導入硫化物ガラスの構造（原子配列）とその電子状態を詳細に解析した。

　その結果、骨格構造（PSx）ユニットの分極性がキャリア（電荷担体）であるリチウムイオンの伝導に強く影響を与えていることを発見した。これにより、ガラス骨格構造の分極効果を最大限に高めつつ、キャリアであるリチウムイオン濃度を増やすことが高いイオン伝導率実現の要因となることが原子・電子レベルで明らかになった。

　具体的には研究グループは、革新型蓄電池先端科学基礎研究事業（RISING）で開発に取り組んできた、ラマン分光、高エネルギーX線回折、中性子線回折、第一原理理論計算・逆モンテカルロ計算といったシミュレーション技術の複数の高度解析技術を相補的に組み合わせた。これにより複雑な3次元構造を有する硫化物ガラス電解質の構造（原子配列）を明確化し、硫化物ガラス電解質の構造とイオン伝導との相関を解明、するなど硫化物ガラスのイオン伝導に寄与する因子を明らかにした（図1）。

図1 ラマン分光／X線および中性子回折実験データを忠実に再現する70Li2Sガラスの3次元構造モデル。PS4四面体を基礎とする骨格構造ユニットの周囲にリチウムイオンが分布している。緑色：Li、紫色：PおよびPSxアニオン、黄色：S 出典：NEDO

　この成果は、次世代ガラス電解質のイオン伝導性の向上に関して新しい設計コンセプトを示すもので、新しいガラス電解質を用いた蓄電池の大幅な特性向上につながることが期待される。NEDOでは、今後も世界最高レベルの高度解析技術を駆使することにより次世代リチウムイオン電池材料開発のブレークスルーおよび革新型蓄電池の実現を目指すとしている。