今回発見した新材料の基本組成物質の結晶構造
全固体電池の特性を飛躍的に向上させられるという、伝導率が世界最高となる固体電解質の「超リチウムイオン伝導体」が開発された。これまでにない電池形態が達成できるという。
これは、東京工業大学科学技術創成研究院全固体電池研究センターの堀智特任准教授、菅野了次特命教授、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の齊藤高志特別准教授、東京大学 生産技術研究所の溝口照康教授らの研究グループによる研究結果。
従来、全固体電池の固体電解質の伝導率が低いと、正極の厚みが増すため、容量向上が困難であったが、この超リチウムイオン伝導体により、正極の膜厚を1mmに抑えられるという。
研究グループは、従来のリチウムイオン伝導体(27℃で12mScm −1 )の化学組成を高エントロピー化することで、32mScm −1 まで伝導率を高められた。新材料の結晶構造を、大強度陽子加速器施設「J-PARC」での中性子回折によって解析し、その結果をもとに計算モデルを作成。第一原理計算を用いてリチウムイオン伝導機構を解析したところ、元素配列に依存してリチウム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分かったという。
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正極が実現したという。極面積あたりの容量は25mAhcm −2 超で、これは従来の全固体電池セルの最高値の1.8倍に達する値だという。
さらに新材料を用いた厚膜正極とリチウム金属負極と組み合わせ、リチウム金属負極が活性化する60℃において、10mAcm −2 を超える電流値で20mAhcm −2 以上の容量が取り出せる全固体電池セルを実現したとしている。
今回の成果は、電気自動車やスマートグリッドの成功の鍵を握る次世代の蓄電デバイスに新たな指針をもたらすとしている。
従来の材料と新材料の伝導率の比較
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