全固体電池を高性能化、超イオン伝導材料を新開発：蓄電・発電機器

東北大学の研究グループはリチウムイオンが高速で伝導する新たなリチウム超イオン伝導材料を開発。全固体電池の固体電解質として利用することで、電池の高性能化を実現できるという。

[スマートジャパン]

　東北大学の研究グループは2019年3月6日、リチウム超イオン伝導材料を開発下と発表した。リチウムを利用した電池の負極に対して高い安定性を示す材料であり、全固体電池の固体電解質として用いることで電池の高性能化につながるという。

　次世代電池として実用化に大きな注目が集まっている全固体電池。その性能を左右するキーマテリアルの1つが、電解質材料だ。室温環境で現在主流のリチウムイオン電池に利用されている液体電解質と同等以上のイオン伝導率が求められる。

　研究グループはこれまで、錯体水素化物を中心としたリチウム超イオン伝導材料の研究開発を進めてきた。錯体水素化物の代表的な材料として挙げられるのが、ホウ素と水素が結合した水素クラスターとリチウムイオンで構成する「LiBH₄（水素化ホウ素リチウム）」だ。

　こうした錯体水素化物は、錯イオンの不規則性を高めることでリチウム超イオン伝導を誘起できる。しかし、不規則性を高めるためには、これまでは材料を100℃以上の高温にする必要があるという課題があった。室温付近だと錯イオンが規則正しく配列するため、イオン伝導率は0.01mScm^-1まで低下することが分かっているという。

さまざまな錯体水素化物におけるリチウムイオン伝導率の温度依存性　出典：東北大学

　研究グループは今回、不規則性の高い錯イオンである［CB▽▽9_H10_{］^-と［CB}11_H12_{］^-の2種類を選び、これらを混ぜ合わせることで、錯イオン自体の不規則性を高めることに成功。開発した錯体水素化物リチウムイオン伝導材料は、0.7Li（CB}9_H10_{）‐0.3Li（CB}11_H12）で、リチウムイオン伝導率は25℃で6.7mScm^-1。これは現在主流であるリチウムイオン電池の液体電解質の伝導率に匹敵するという。

開発した全固体電池の充放電特性。上のグラフaは25℃、1Cでの特性、下のグラフbは50℃、1Cの充電、3Cの放電での特性　出典：東北大学

　また、開発した新材料とリチウムとの界面における、リチウムの動き易さも測定。界面抵抗は0.78Ωcm²と極めて小さく、リチウムは動きやすいことが分かった。全固体電池の高性能化につながるとして注目されているリチウムを利用した負極への適用も可能だという。

　これらの成果を受けて、研究グループは0.7Li（CB▽▽9_H10_{）‐0.3Li（CB}11_H12）を固体電解質に、リチウムを負極に用いて全固体電池を作製。検証の結果、25℃で安定に動作することを確認した。さらに、放電条件を50℃、20分として充放電試験を行ったところ、2500Whkg^-1と極めて高いエネルギー密度を持つことが分かり、電池の長時間使用が可能であることを実証したとしている。

　研究グループは今後、リチウムイオン伝導率さらに高めたリチウム超イオン伝導材料の開発などに取り組む方針だ。