エネルギー加速器研究機構の研究グループは、このたび世界最高のリチウムイオン伝導率を示す超イオン伝導体(用語1)を発見しました。cm-1)の2倍の伝導率であるとともに、既存のリチウムイオン二次電池に用いられている有機電解液(用語2)のイオン伝導率をも凌駕する値である。超イオン伝導経路(用語4)を明らかにした。有する全固体セラミックス電池(用語5)が有力な候補であることを示し、蓄電池開発に新たな指針をもたらすものである。V以上の分解電圧を持つこと(図1)、全固体電池の電解質材料として動作することを明らかにした。低温においては有機電解液をはるかに凌駕するイオン伝導率を持つ特徴がある(図2)。プラグインハイブリッド自動車、スマートグリッドが社会に浸透するための鍵を握るデバイスが、電気を蓄える電池である。その容量・コスト・安全性のいずれの面でも、現在のリチウムイオン電池を越える次世代の電池の開発が喫緊の課題となっている。次世代の蓄電池開発の鍵を握るのが、電解質である。現在のリチウムイオン電池には電解質として可燃性有機電解液が用いられているため、使用には安全装置が必須となる。電池がさらに高容量と高出力を達成し、かつ安全で信頼性に優れた長寿命なデバイスになるためには、電池をすべてセラミックスで構成するのが理想であり、セラミックス電池は究極の安定性に優れた電池と位置づけられている。その実現を阻むものは固体電解質の特性であり、これまでの固体電解質のイオン伝導率は0.1mから1mScm-1程度で、有機電解液に比べ一桁以上低いイオン伝導率であった。本研究グループは、超イオン伝導体として高いイオン伝導率の期待できる硫化物系で物質探索を行い、新規物質開拓の過程で非常にイオン伝導率の高い表記の超イオン伝導体を発見した。SuperHRPD(BL08)による中性子回折測定によって決定した。リチウムイオン電池の正極材料として広く利用されているLiCoO2を用いた電池が優れた特性を示すことも明らかにし実用材料としての応用可能であることを示した。本研究で見出された固体電解質材料は、リチウム電池の全固体化に向けた応用が可能であり、全固体化に伴う安全性の向上によって電池の大容量化が可能になる。超小型化セラミックス電池の実現も期待される。今回の発明により、「次世代電池は全固体へ(用語6)」の歩みがさらに加速される。現在のリチウムイオン電池の全固体化によって、さらに安全性と安定性に優れ、かつ長寿命な電池を開発することができ、電池のさらなる高容量化に貢献できる。本研究グループにおいても、より「安全性/安定性/長寿命」をめざした電池系の開発を進めている。置き換えることが重要である。実現に大いに貢献できる。我々の研究グループでは、今回の発見した物質を、さらに伝導性や安定性を向上させて、高エネルギー型電池を目指した研究を進める予定である。【用語説明】(注1)固体中をイオンがあたかも液体のように動き回る物質。mScm-1程度の値が最高のイオン伝導率とされてきた。高エネルギー密度電池として期待されているリチウム超イオン伝導体で、イオン伝導率と安定性を兼ね備えた物質の開発が望まれていた。様々な分野で物質開拓が行われており、その開発は1960年代から始まり、現在も引き続き行われている。(図4に開発の歴史的な経緯と、達成したイオン伝導率を示す。)(注2)現在のリチウムイオン電池に用いられている電解質。可燃性であるために、使用には安全装置が必須となる。蓄電池の小型化、低コスト化を実現するために、不燃性固体物質への代替が期待されている。最先端学術研究及び産業利用が行われている。(注4)固体物質の結晶構造内でリチウムイオンが移動するために必要な連続的な空間。空間の大きさ、まわりに存在する他の原子との相互作用に伝導率は依存する。すべてセラミックスで構成した電池。原理的に不燃性であり、究極的に安全な電池。電解質材料のイオン伝導率が低いことが原因で出力に課題を有する。解決の鍵は電解質材料のイオン伝導率の向上であるとされる。(注6)日経エレクトロニクス2010年5月号の特集記事のタイトル。電池の安全性/安定性/長寿命を達成するために、5V系正極材料を用いた電池やポストリチウムイオン電池として注目されているLi-S電池やLi空気電池に固体電解質の検討が進むと結論づけている。「行き着く先は固体電解質」として、「電動車両や定置向け大型リチウムイオン電池では、安全性の確保が最優先事項である。け市場では、エネルギー密度300Wh/kgを超えるようなポストリチウムイオン電池の開発に合わせて固体電解質の検討が進むことになりそうだ。」との解説を示している。今回の発見では、ようやく有機電解液を超えるイオン伝導率を持つ固体電解質開発に成功した。将来に向けた提言」平成18年8月)。この目標に向かって、革新電池の開発がNEDOを中心に進められている。今回発見した超イオン伝導体のイオン伝導率の温度依存性。Scm-1のイオン伝導率の値を示す。これらの値は、リチウム超イオン伝導体の中で最も高い値である。(※)記事初出時、「-30°C」と表記していましたが、実際は「-40°C」の誤りです。お詫びして訂正いたします。各種超イオン伝導体のイオン伝導率と、今回発見した超イオン伝導体のイオン伝導率の比較。図では伝導率の温度依存性を示す。様々なイオン伝導体のイオン伝導率を併せて示している。室温から低温にかけて、今回発見した物質が最も高いイオン伝導率を示すことがわかる。今回発見した超イオン伝導体の結晶構造とイオン伝導経路。aは全体の構造、bは三次元の骨格構造、cは一次元のリチウムイオン伝導経路を示す。図c上部にリチウムイオンの熱振動の様子を示す。リチウムイオンは上下方向に非常に大きく熱振動しており、リチウムが超イオン伝導に関与していることがわかる。超イオン伝導体の研究の歴史。それぞれの物質が発見された年代とイオン伝導率との関係を示す。第一世代の材料は、イオンが固体中を高速で動き回ることの現象を追求する過程で探索された。第二世代の材料は実用材料として応用することも加味して開発された物質群。Scm-1を超えたことから、新たな世代のリチウム超イオン伝導体と考えることができる。世界最高の分解能を達成キッズサイエンティスト中性子回折法による新型電池の。