次世代全固体電池への新たな道筋：ランダム置換結晶の可能性

次世代全固体電池に向けた新しい挑戦

次世代エネルギー貯蔵技術として期待される全固体電池の開発が進む中、安全性と高性能を両立させるための固体電解質材料についての研究が注目を集めています。一般的に、固体中のイオン伝導性を高めるために材料の構造をゆるめる手法が取られてきましたが、その過程で得られる安定性の低下が大きな課題でした。

今回、東京都立大学の栗田玲教授を中心とする研究グループと鳥取大学の研究者たちは、独自のアプローチでこの問題に取り組みました。彼らは「ランダム置換結晶」という新しいタイプの結晶構造に注目しました。この構造の中でのリチウムイオンの動きを分子動力学シミュレーションを用いて解析した結果、驚くべき発見がありました。

研究の成果と発見

研究チームは、リチウムイオンの濃度が約20％に達すると、同じイオン同士が繋がりネットワークを形成し、急激に導電率が向上することを明らかにしました。この重要な閾値はパーコレーション理論により予測される連結の臨界点と一致しており、結晶構造の中に自発的にイオン流路が生じることを確かめました。

さらに、樹形状のネットワークを形成することで、イオンの動きが結晶構造を壊すことなく維持できるため、導電率は液体電解質と比較しても相応の6.8×10⁻³ S/cmを実現可能だとされています。この研究は、従来高安定性と高導電性の両立が難しいとされていた固体電解質分野において、大きな前進を示すものであり、実用材料設計にも新しい方向性を示唆しています。

ランダム置換結晶の魅力

ランダム置換結晶は、複数の元素が無秩序に配置されているため、構造の不均一性から新たな特性を引き出すことが期待されています。これまでにも高エントロピー合金の分野で強度や耐熱性の向上が示されており、イオン伝導性においても同様の効果が期待されています。

本研究の結果、イオンネットワークの形成は特定の材料に限らず、様々なイオン結晶や高エントロピー材料に適用可能であるとの見通しが立ちます。

研究の背景と将来の展望

現代のリチウムイオン電池において使用される液体電解質は高い導電性を持っていますが、反応性や可燃性が高く安全性に課題があります。そのため、全固体電池技術が注目された背景には、液体を用いずに高い安全性を維持する必要があるという社会的な要請があります。

本研究によって示された新しい知見は、エネルギー転換社会の実現に向けて、より安全で高性能な固体電解質材料を開発するための重要な指針となります。今後の研究が進むことで、様々な電池材料の性能が向上し、持続可能なエネルギー利用への貢献が期待されます。この成果は、11月3日に発表された論文「Cooperative Ion Conduction Enabled by Site Percolation in Random Substitutional Crystals」として、American Physical Society発行の『Physical Review Materials』に掲載されました。