2024-09-06 京都大学
革新型蓄電池（ポスト・リチウムイオン電池）の開発競争をリードする上で、全固体フッ化物電池で使用するフッ化物イオン導電性固体電解質は、今後の蓄電池開発において重要なキーマテリアルとなります。
佐藤和之 成長戦略本部特定研究員、福永俊晴 同研究員、安部武志 工学研究科教授、森一広 高エネルギー加速器研究機構教授（兼：総合研究大学院大学教授、茨城大学教授）、ソン スンヨプ 同特任助教、齊藤高志 同特別准教授、小川貴史 ファインセラミックスセンター主任研究員、桑原彰秀 同主席研究員の共同研究グループは、フッ化物イオン導電性固体電解質Ca0.48Ba0.52F2のイオン伝導メカニズムを原子レベルで解明しました。
蛍石型構造をもつフッ化カルシウム（CaF2）やフッ化バリウム（BaF2）は、全固体フッ化物電池において重要な高電圧下での利用が期待されますが、その反面、イオン伝導率が低い物質です。CaF2とBaF2を原子レベルで混合することで、イオン伝導率が飛躍的に向上することが知られていましたが、CaF2–BaF2系のフッ化物イオン（F–）の分布やその伝導メカニズムは不明のままでした。
本研究では、熱プラズマ法で作製したCa0.48Ba0.52F2固体電解質を用いて中性子回折実験を行い、本系の原子配列と核密度分布を精密に決定しました。その結果、異なるイオン半径をもつCaとBaが混合したことで構造歪みを誘発し、それによってFの原子配列が局所的に乱れることがわかりました。さらにフッ化物イオン伝導経路の可視化に成功し、Fの原子配列の乱れが伝導経路内のイオン流れ（イオン伝導率）の向上に大きく寄与していることを明らかにしました。
本研究成果は、2024年9月5日に、国際学術誌「ACS Applied Energy Materials」にオンライン掲載されました。
Ca0.48Ba0.52F2固体電解質の中をフッ化物イオンが高速で流れていくイメージ図
研究者のコメント
「中性子の『目』を通じて物質内部の原子配列を見ることができます。中性子は、特にフッ素や水素、リチウムなどの軽元素の観察に適しています。リチウムイオン電池や次世代蓄電池では、主役である軽元素（イオン）の動きが電池特性に大きく影響します。中性子の利用によって蓄電池研究・開発がより一層加速するよう日々努力しています。」（森一広）
「固体電解質のイオン伝導性向上はこの電池系の大きな課題の一つです。熱プラズマ法で作製したCaF2-BaF2は不純物相が非常に少ないため、イオン伝導機構についての詳細な解析を進めることができました。今後、この解析をもとにさらなる研究を重ねて新たな材料の創出につなげていきたいと思います。」（佐藤和之）
詳しい研究内容について
原子配列の乱れをもつフッ化物イオン導電性固体電解質のイオン伝導メカニズムの解明〜リチウムイオン電池を凌駕する次世代蓄電池の創成を目指して～
研究者情報
研究者名：福永 俊晴
研究者名：安部 武志
書誌情報
【DOI】
https://doi.org/10.1021/acsaem.4c01278
【書誌情報】
Kazuhiro Mori, Kazuyuki Sato, Takafumi Ogawa, Akihide Kuwabara, Seungyub Song, Takashi Saito, Toshiharu Fukunaga Takeshi Abe (2024). Experimental visualization of F-ion diffusion pathways and geometric frustrationinduced disorder in CaF2–BaF2 solid electrolytes. ACS Applied Energy Materials.
