科学者たちは、固体リチウムイオン電池の固体電解質として使用できる、安定で導電性の高いリチウムイオン伝導体を発見しました。

固体電解質を使用した全固体リチウムイオン (Li-ion) バッテリーは不燃性で、液体電解質を使用したものよりも高いエネルギー密度と伝達係数を持っています。これらは、電気自動車など従来の液体電解質リチウムイオン電池の市場シェアを獲得すると予想されている。

ただし、これらの利点にもかかわらず、固体電解質のリチウムイオン含有率は低くなります。導電性そして、適切な電極と固体電解質の接触を達成する際に課題が生じます。硫化物ベースの固体電解質は導電性ですが、水分と反応して有毒な二硫化水素を生成します。したがって、安全で高性能、高速充電の全固体リチウムイオン電池を製造するには、導電性と空気中での安定性を兼ね備えた非硫化物固体電解質が必要とされています。

最近の研究では出版されたで材料化学2024年3月28日、藤本健次郎教授、東京理科大学の逢見明久教授、株式会社デンソーの吉田修平博士が率いる研究チームは、パイロクロア型の安定で導電性の高いリチウムイオン伝導体を発見した。酸フッ化物。

藤本教授は、「全固体リチウムイオン二次電池の実現は、多くの電池研究者の長年の夢でした。私たちは、全固体リチウムの主要成分である酸化物固体電解質を発見しました。高いエネルギー密度と安全性を兼ね備えたイオン電池であり、空気中でも安定であることに加え、これまでに報告されている酸化物固体電解質よりも高いイオン伝導性を示します。」

この研究で研究されたパイロクロア型オキシフルオリドは、Li と表すことができます。_2-xラ_(1+x)/3M₂○₆F (M = Nb、Ta)。X線回折、リートベルト解析、誘導結合プラズマ発光分光分析、制限視野電子回折などのさまざまな技術を使用して、構造および組成分析が行われました。

具体的には、李さん_1.25ラ_0.58注意₂○₆F が開発され、室温で 7.0 mS cm-1 のバルク イオン伝導率と 3.9 mS cm-1 の総イオン伝導率を実証しました。これは、既知の酸化物固体電解質のリチウムイオン伝導度よりも高いことが判明した。この材料はイオン伝導の活性化エネルギーが極めて低く、低温におけるイオン伝導率は硫化物系材料を含めた既知の固体電解質の中で最も高いものの一つです。

新材料は、-10℃でも従来の酸化物系固体電解質と同等の導電率を示します。室温。また、100℃以上での導電性も確認されているため、この固体電解質の使用温度範囲は－10℃～100℃となります。従来のリチウムイオン電池は氷点下では使用できません。そのため、一般的に使用されている携帯電話のリチウムイオン電池の動作条件は0℃～45℃となります。

この材料におけるリチウムイオン伝導機構を研究した。パイロクロア型構造の伝導パスは、MO によって作成されたトンネル内にある F イオンをカバーします。₆八面体。伝導メカニズムは、F イオンとの結合を変化させながら Li イオンが順次移動することです。Li イオンは常に準安定位置を通過して最も近い Li 位置に移動します。インモービレ・ラ³⁺F イオンに結合した F イオンは、伝導経路を遮断し、周囲の準安定位置を消滅させることによって、Li イオンの伝導を阻害します。

酸化物系全固体電池は、既存のリチウムイオン二次電池とは異なり、硫化物系電池のような破損による電解液漏れの心配や有毒ガスの発生の心配がありません。したがって、この新しいイノベーションは将来の研究を推進すると期待されています。

「新たに発見された材料は安全であり、これまでに報告されている酸化物系固体電解質よりも高いイオン伝導率を示します。この材料の応用は、低温から高温までの幅広い温度範囲で動作可能な革新的な電池の開発に有望です。」と藤本教授は言います。「電気自動車用固体電解質の用途に求められる性能は満たしていると考えています。」

特に、この新素材は安定性が高く、損傷しても発火しません。飛行機やその他の安全性が重要な場所に適しています。などの大容量アプリケーションにも適しています。電気自動車、高温下でも使用でき、急速充電に対応しているためです。また、電池や家電製品、医療機器の小型化にも期待される素材です。

要約すると、研究者らは高い導電率と空気安定性を備えたリチウムイオン伝導体を発見しただけでなく、パイロクロア型酸フッ化物を使用した新しいタイプの超イオン伝導体も導入した。リチウム周囲の局所構造、伝導中の動的変化、およびその可能性を探ります。固体電解質全固体電池の研究は将来の研究にとって重要な分野です。