全固体フッ化物イオン電池向けイオン伝導体を開発：伝導率は既存の固体電解質に匹敵

追手門学院大学は、九州大学や高エネルギー加速器研究機構と共同で、アニオン副格子の回転機構を用いた「フッ化物イオン伝導体」を新たに開発した。合成した化合物は、全固体フッ化物イオン電池に用いられている既存の固体電解質に匹敵するフッ化物イオン伝導率を達成した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

イオン伝導の上昇にアニオン副格子の回転運動が関与

　追手門学院大学理工学部の高見剛教授らによる研究チームは2024年9月、九州大学の多田朋史教授、高エネルギー加速器研究機構の森一広教授と共同で、アニオン副格子の回転機構を用いた「フッ化物イオン伝導体」を新たに開発したと発表した。合成した化合物は、全固体フッ化物イオン電池に用いられている既存の固体電解質に匹敵するフッ化物イオン伝導率を達成した。

　全固体フッ化物イオン電池は、フッ化物イオン（F^-）が固体電解質を通して、正極と負極間を行き来することで充放電する蓄電池。1度に複数の電子が反応に関与する多電子反応を用いるため、容量をリチウムイオン電池の数倍高められる。課題は、室温状態で高いフッ化物イオン伝導率を示す材料の開発だという。

　全固体フッ化物イオン電池の固体電解質としてはこれまで、La_0.9Ba_0.1F_2.9が一般的に用いられてきたが、伝導率を向上させるには限界があった。今回は、格子間にフッ素が存在し、その付近に分極率の大きなタリウムが位置する化合物を新たに合成し、元素置換を行い3次元的な隙間を作り出すことで、伝導率向上に取り組んだ。

　実験ではF空孔量や格子体積、粒径サイズの最適化を行った。この結果、固相反応法を用いて合成した化合物「Tl_4.5Sn_1-xB_xF_8.5-x（B＝Al、Y、Sm）」は、La_0.9Ba_0.1F_2.9に匹敵するフッ化物イオン伝導率（約10^-4 Scm^-1、140℃）が得られたという。

　しかも、イオン伝導の上昇にはアニオン（陰イオン）副格子の回転運動が関与していることを初めて実証した。アニオン副格子の効果を最大化できれば、イオン伝導率の向上につながるとみている。

アニオン副格子の回転運動によるフッ化物イオン伝導のイメージ［クリックで拡大］ 出所：追手門学院大学他