世界最高の伝導率を持つ、固体電解質の超リチウムイオン伝導体を開発東工大など研究グループ

東京工業大学は2023年7月7日、東京大学および高エネルギー加速器研究機構との研究グループが世界最高の伝導率を持つ固体電解質の超リチウムイオン伝導体を開発したと発表した。この電解質を用いて1mm膜厚の正極を開発し、全固体電池の特性を飛躍的に向上させることにも成功した。

研究グループは、従来のリチウムイオン伝導体（27℃で12mS cm^-1）の化学組成を高エントロピー化することで、32mS cm^-1まで伝導率を高めた新材料を開発した。この新材料を固体電解質に用いることで、室温25℃で理論値の約90%のエネルギーが取り出せる厚み1mmの電極（正極）を作製。電極面積あたりの容量は25mAh cm^-2を超え、これまでの全固体電池セルの最高値の1.8倍となった。

さらに新材料を用いた厚膜正極を、次世代電池材料であるリチウム金属負極と組み合わせることで、リチウム金属負極が活性化する60℃において、10mA cm^-2を超える電流値で20mAh cm^-2以上の容量が取り出せる全固体電池セルを開発した。

また、新材料の結晶構造を大強度陽子加速器施設J-PARCで解析したところ、不規則な元素配列があることが判明。解析結果を基に計算モデルを作成し、第一原理計算を用いてLiイオン伝導機構を解析すると、元素配列に依存してLiイオン伝導の障壁が半分に低下して平滑になり、イオンが伝導しやすくなることがわかった。

研究グループは、イオン伝導性の高い固体電解質を用いれば、これまでにない電池形態が達成できることが示されたとし、次世代の蓄電デバイスに向けて新たな指針をもたらす研究成果だとしている。

研究成果は2023年7月6日に米国科学誌「Science」に掲載された。

世界最高の伝導率を持つ、固体電解質の超リチウムイオン伝導体を開発　東工大など研究グループ