東北大学はこのほど、水素クラスター（錯イオン）の分子構造のデザインにより、リチウムイオンが高速で伝導する新たなリチウム超イオン伝導材料を開発したと発表した。
錯イオンとは、中心原子に複数の原子が結合した分子構造をもつイオン。開発品は、高エネルギー密度化が実現できるリチウム負極に対し、高い安定性を示すとともに、リチウム負極を使用した全固体電池の固体電解質として用いた場合に、電池の使用時間が大幅に向上することも実証した。
同大学金属材料研究所のキム・サンユン助教と同大学材料科学高等研究所の折茂慎一副所長らの研究グループは、水素とホウ素から形成された水素クラスターを含む錯体水素化物を中心に、リチウムイオン伝導の研究を進めてきた。今回の成果は、同大学多元物質科学研究所と高エネルギー加速器研究機構との共同研究によるもの。
同開発は、全固体電池の高エネルギー密度化が一気に加速していく可能性を秘めている。電気自動車やスマートグリッド（次世代送電網）など、大型エネルギーデバイスを社会普及させるには、蓄電池の安全性・エネルギー密度・充放電速度などの高性能化がカギになる。特に、固体電解質を用いる全固体電池は次世代電池としての期待度が高い。現在のリチウムイオン電池と比較して安全性が大幅に向上するほか、液体電解質では使用が困難だったリチウムや硫黄などの高エネルギー密度電極への適用可能性が広がるため、蓄電池の高エネルギー密度化も期待される。
固体電解質の最も重要な特性はリチウムイオン伝導率。室温（25℃）で1mS／cm以上の、現行の液体電解質に匹敵するイオン伝導率が求められる。同研究の錯体水素化物の特徴は、錯イオンの不規則性を高めることでリチウム超イオン伝導が誘起されること。しかし、不規則性を高めるには、材料を100℃以上の高温にする必要があった。開発品は、高い不規則性を付与した2種類の錯イオンを、さらに適切に混ぜ合わせることで、不規則性をいっそう高めた。結果的に室温付近でも錯イオンの不規則性が維持され、25℃で6.7mS／cmものリチウムイオン伝導率を示した。
報告されている錯体水素化物の中では最も高い値で、液体電解質の伝導率にも十分匹敵する。水素クラスターのデザインにより、リチウムイオン伝導率をさらに高めることも可能で、同大学らは、今後もリチウム超イオン伝導材料の開発を進めていく考え。