酸素が拓く固体電解質の設計原理~複雑なマルチアニオンガラスにおけるイオン輸送の仕組みを解明~

2025-11-12 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の大野真之准教授らは、米国レンセラー工科大学との共同研究で、酸素を利用して固体電解質の性能を大幅に向上させる新たな設計原理を発見した。ナトリウム酸化物と五塩化タンタルを用いたガラス状固体電解質に酸素を導入した結果、架橋酸素(Ta–O–Ta)が形成されイオン移動経路を拡大し、室温で最大4.1 mS/cmの高いナトリウムイオン伝導率を達成。一方、非架橋酸素が過剰になると伝導が阻害されることも判明した。理論計算と実験解析により、酸素量とイオン移動効率の相関を三領域に分類し、マルチアニオン化合物設計の新指針を提示。本成果は、全固体電池など次世代蓄電デバイスの高性能化に資する基盤研究として注目されている。

酸素が拓く固体電解質の設計原理~複雑なマルチアニオンガラスにおけるイオン輸送の仕組みを解明~
図1. 酸素含有量による構造変化とナトリウムイオン伝導率の関係
酸素導入量の増加に伴い、架橋酸素(Ta-O-Ta)が形成され、最適組成付近で最高伝導率を示す。

<関連情報>

x Na 2 O-TaCl 5ガラス電解質における酸素媒介構造変調とイオン輸送 Oxygen-Mediated Structural Modulation and Ion Transport in xNa2O-TaCl5 Glass Electrolytes

Zheng Huang,Neha Yadav,Shun Itakura,Peng Song,Hirofumi Akamatsu,Katsuro Hayashi,Prashun Gorai,and Saneyuki Ohno
Journal of the American Chemical Society  Published: November 11, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c10564

Abstract

Understanding the structure–property relationship in glass solid electrolytes (SEs) remains a major challenge due to their inherent disorder and the difficulty of probing local structures, particularly in relation to oxygen incorporation. Despite recent interest in multianion halide solid electrolytes, there are few systematic studies on how varying the oxygen content affects the local structure and ion transport. Here, we investigate a series of amorphous sodium oxychloride SEs with the composition xNa2O-TaCl5 (0.1 ≤ x ≤ 1.5), revealing three distinct conductivity regimes and achieving a maximum of 4.1 mS cm–1 at room temperature. Synchrotron and lab X-ray total scattering and Raman spectroscopy indicate the gradual formation of Ta–O–Ta bonds that bridge the two or more metal chloride polyhedra, while ab initio molecular dynamics simulations clarify the distinct roles of bridging and nonbridging O2– species. These findings not only provide mechanistic insights into oxygen-mediated glass formation but also establish guiding principles for multianion engineering in the design of next-generation solid electrolytes.

0501セラミックス及び無機化学製品
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました