次世代電池用固体電解質中でリチウムイオンが動くしくみを分子レベルで解明ー25年以上にわたり提唱されてきた「パドルホイール機構」を超えるイオン伝導機構を解明ー

2026-07-23 分子科学研究所

西江大学校と自然科学研究機構 分子科学研究所・総合研究大学院大学の研究グループは、次世代全固体電池用固体電解質として期待される有機イオン性プラスチック結晶(OIPC)中でのリチウムイオン伝導機構を分子レベルで解明した。分子動力学シミュレーションと新たなホップ関数解析を組み合わせて検証した結果、25年以上有力視されてきた「パドルホイール機構」は結晶を構成する大型イオンの運動には関与するものの、リチウムイオンの移動とはほとんど相関しないことが判明した。一方、リチウムイオンは周囲の陰イオンが形成する「イオンケージ」が協同的に開閉・再配列することで隣接サイトへ移動し、陰イオン配位数が一時的に減少した「開いた」状態ではホップ速度が最大約1万倍に増加することを明らかにした。本成果は、固体電解質におけるイオン伝導の新たな理論モデルを提示するとともに、高イオン伝導性と安全性を両立する次世代全固体電池材料の合理的設計や、新規固体電解質の開発を加速する基盤技術となることが期待される。

<関連情報>

パドルホイール機構を超えて:ホップ関数解析による有機イオン性プラスチック結晶中のイオン輸送の解明 Beyond the Paddle-Wheel Mechanism: Hop Function Analysis of Ion Transport in Organic Ionic Plastic Crystals

Hyungshick Park,Shinji Saito,and Bong June Sung
Journal of the American Chemical Society  Published: June 1, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c04713

Abstract

次世代電池用固体電解質中でリチウムイオンが動くしくみを分子レベルで解明ー25年以上にわたり提唱されてきた「パドルホイール機構」を超えるイオン伝導機構を解明ー

The paddle-wheel mechanism has long been invoked to explain ion transport in organic ionic plastic crystals (OIPCs), wherein rotational motion of matrix ions is assumed to facilitate ion hopping. Here, we critically examine the paddle-wheel mechanism using molecular dynamics (MD) simulations combined with hop function analysis for a representative OIPC, Li-doped 1,3-dimethylimidazolium hexafluorophosphate ([MMIM][PF6]). While matrix ions ([MMIM]+ and PF6) exhibit translation-rotation coupling consistent with the paddle-wheel mechanism, Li+ ion transport, central to the ion conductivity of solid-state electrolytes (SSEs), is decoupled from the rotational dynamics of neighbor ions. Instead, the hop function analysis reveals that the collective rearrangement of the third, fourth, and fifth nearest PF6 anions around Li+ forms the transition-state configuration governing Li+ hopping. This process constitutes the primary Li+ ion transport mechanism, replacing the conventional paddle-wheel mechanism. Our results establish the hop function analysis as a robust framework for disentangling ion transport mechanisms in complex solid-state electrolytes and call for a reassessment of long-standing mechanistic assumptions in OIPCs.

0402電気応用
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