東北大学、室温でリチウム超イオン伝導を実現：全固体電池に適用可能な材料開発

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した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

リチウム負極に対して高い安定性を示す

　東北大学金属材料研究所の金相侖（キム サンユン）助教と同大学材料科学高等研究所の折茂慎一副所長らによる研究グループは2019年3月、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したと発表した。全固体電池に適用することが可能である。

　研究グループは、錯体水素化物を中心にリチウム超イオン伝導材料の開発に取り組んできた。代表的な材料としては、ホウ素と水素が結合した水素クラスタ（錯イオン）とリチウムイオンから構成されるLiBH₄がある。

　錯体水素化物は、錯イオンの不規則性を高めることによって、リチウム超イオン伝導を誘起できるのが特長である。ただし、これを実現するには材料の温度を100℃以上にしなければならなかった。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。

開発したリチウム超イオン伝導材料のイメージ 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［CB₉H₁₀］^-と［CB₁₁H₁₂］^-の2種類を選び、これらを適切に混ぜ合わせることで、錯イオン自体の不規則性をさらに高めた。

　開発した錯体水素化物リチウムイオン伝導材料は、0.7Li（CB₉H₁₀）‐0.3Li（CB₁₁H₁₂）である。このリチウムイオン伝導率は25℃で6.7mScm^-1である。この数値は、液体電解質の伝導率に匹敵するという。

上図は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。下図は不規則性の高い2種類の錯イオン 出典：東北大学

　開発した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した。この結果、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。このことは、0.7Li（CB₉H₁₀）‐0.3Li（CB₁₁H₁₂）が、リチウム負極に対して高い安定性を示すものだという。

0.7Li（CB₉H₁₀）‐0.3Li（CB₁₁H₁₂）とリチウムとの界面抵抗の測定結果 出典：東北大学

　研究グループは、0.7Li（CB₉H₁₀）‐0.3Li（CB₁₁H₁₂）を「固体電解質」に、リチウムを「負極」にそれぞれ用いて全固体電池を作製し、25℃で安定に動作することを確認した。続いて、放電条件を50℃、20分として充放電試験を行った。この結果、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。

全固体電池の充放電特性。上図は25℃、1Cでの特性。下図は50℃、1Cの充電、3Cの放電での特性 出典：東北大学

　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。