近年、低炭素エネルギー社会の実现に向けて、现用のリチウムイオン电池に比べて、より多くのエネルギー贮蔵が可能であるポストリチウムイオン电池の开発が活発に进められています。その中の一つに、リチウムイオン电池の2倍以上のエネルギー密度が理论的に期待される全固体フッ化物イオン电池があります。この电池では、电気の充放电の过程で、フッ化物イオン（贵-）が固体电解质（イオン伝导体）の中を横断的に移动（伝导）します。しかし、电池の使用环境下でフッ化物イオン伝导度が高く、构造が安定な固体电解质は见つかっておらず、実用化に向けて、様々なフッ化物イオン固体电解质の探索や提案が行われています。
以前の研究において、バリウムイオン（叠补2+）とカルシウムイオン（颁补2+）を原子レベルで混合した(叠补,颁补)贵2において、混合前と比较してイオン伝导度が飞跃的に上昇する现象が実験的に见い出されていました。この材料系は同じ価数の阳イオンを混合しているという点において従来のイオン伝导体の伝导度向上の方法とは异なるため、新たな材料设计指针を示している可能性がありますが、そのメカニズムは不明确でした。
佐藤和之 成长戦略本部特定研究員は、一般財団法人ファインセラミックスセンター、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所、東京大学と共同で、同じ価数の陽イオンを原子レベルで混合したフッ化物イオン固体電解質(Ba,Ca)F2における伝导度向上のメカニズムを理论计算により解明しました。
本研究では、机械学习ポテンシャルを用いた分子动力学计算や点欠陥计算等の先端的な理论解析手法を复合的に用いて、(叠补,颁补)贵2におけるイオン伝导机构を调べました。その结果、(叠补,颁补)贵2では、阳イオンのサイズの违いにより结晶内に生じた格子歪みの影响により、フッ化物イオンの伝导を媒介する点欠陥の浓度が着しく増大し、イオン伝导度の向上が引き起こされていることが明らかになりました。
本研究により得られた知见は、新たな固体电解质の材料设计の可能性を提示しており、全固体フッ化物イオン电池を含む、持続可能な社会の実现に向けた次世代电池の材料开発に大きく贡献できるものと期待されます。
本研究成果は、2024年10月17日に、国際学術誌「Journal of Materials Chemistry A」にオンライン掲載されました。
Ba0.5Ca0.5F2构造の模式図（左図）とフッ化物イオン欠陥浓度の温度依存性（右図）
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【书誌情报】
Takafumi Ogawa, Kazuyuki Sato, Kazuhiro Mori, Shunsuke Kobayashi, Hiroki Moriwake, Yuichi Ikuhara,Akihide Kuwabara (2024). Point-defect chemistry for ionic conduction in solid electrolytes with isovalent cation mixing. Journal of Materials Chemistry A, 45, 12, 31173–31184.
