「データベースにない新物質」を合成、全固体フッ化物イオン電池開発加速：室温付近で超イオン伝導を示す

追手門学院大学（追大）の高見剛教授らによる研究チームは、九州大学の多田朋史教授と共同で、フッ化物イオンが室温付近で超イオン伝導を示す新たな物質の合成に成功した。全固体フッ化物イオン電池（FIB）の開発に弾みをつける。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

Intrinsic F空孔を利用し、優れたフッ化物イオン伝導体を実現

　追手門学院大学（追大）の高見剛教授らによる研究チームは2025年1月14日、九州大学の多田朋史教授と共同で、フッ化物イオンが室温付近で超イオン伝導を示す新たな物質の合成に成功したと発表した。全固体フッ化物イオン電池（FIB）の開発に弾みをつける。

　高見教授らはこれまでFIBの研究を行ってきた。FIBはフッ化物イオン（F^-）を介する多電子反応を用いる。このため、原理上はリチウムイオン電池を上回るエネルギー密度を実現できるという。フッ素はリチウムに比べ50倍も豊富な資源で、供給面での不安も少なく安価な材料である。全固体電池のため安全性も高いという。

　ただ、固体電解質のフッ化物イオン伝導率が低く、動作温度が140℃以上というのが課題となっていた。固体電解質でイオン伝導率を向上させるための方法の1つとして、イオンが通るための「隙間（空孔）」を備える新たな構造を作り出す必要があった。

　研究グループは今回、ファンデルワールス化合物の「TlF（フッ化タリウム）」に着目、化学フッ化を行うことでフッ化物イオン伝導の発現を試みた。実験では、フッ化キセノン（XeF2）を用い200℃の低温で化学フッ化を行った。そうすると複雑な構造体（orthorhombic相）ではなく、目新しい構造体（cubic相）に構造相転移した。このcubic相は、CuサイトがF、BrサイトがTlで構成されており、銅超イオン伝導体「α-CuBr」の逆構造であることが分かった。

　中性子回折により、Fの位置や量を精密に評価した。この結果、x＝1の組成では、Fサイトに対するFの占有率が17％、F空孔が83％であった。また、少なくとも150℃付近まで化学的に安定しており、粒内ではTlとFがほぼ均一に分布していることを確認した。

　温度上昇に伴ってイオン伝導率は増加し、60℃で超イオン伝導域（＞1mS cm^-1）に達した。これらのデータによれば活性化エネルギーは0.3eVと小さく、イオン伝導率は従来のorthorhombic相に比べ、はるかに大きな値となった。電子伝導率は全伝導率の0.01％未満と極めて小さかった。

　ニューラルネットワークポテンシャル動力学法を用いて理論計算を行った。その結果、フッ化物イオン伝導率（6.8mS cm^-1at 400K）と活性化エネルギー（0.4eV）は、実験値（4.3mS cm^-1at 398K, 0.3eV）とほぼ一致した。これらの結果に基づき研究グループは、優れたフッ化物イオン伝導体を実現するには、Intrinsic（内在的な）F空孔を利用するのが有効であることを実証した。

既存のTlF（奥）から構造相転移を介して得られた新物質TlF（手前）におけるフッ化物超イオン伝導のイメージ［クリックで拡大］ 出所：大手門学院大学