新規アルミニウムイオン導電体の探索

• 研究課題/領域番号: 24K21690
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分26:材料工学およびその関連分野
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 猪石 篤 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (10713448)
• 研究期間 (年度): 2024-06-28 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: アルミニウムイオン伝導 / 塩化物 / 固体電解質 / 全固体電池 / アルミニウム電池 / アルミニウムイオン導電体

研究開始時の研究の概要

３価のアルミニウムイオンが移動する全固体電池が実現すれば、優れた充放電サイクル特性や電池容量、高い安全性、コスト低減等が期待される。しかし、アルミニウムイオンは３価のため構造中で強い束縛を受け、高いイオン導電性を示す材料が知られていない。本研究では、複数のアニオンを複合化する新しい設計指針により、高いアルミニウムイオン導電性を示す材料を探索する。材料はボールミル法によって合成する。

研究実績の概要

次世代型電池として多価イオン電池の実現が期待されている。例えばアルミニウムイオン電池では、アルミニウムイオン１個が移動することで３個の多電子を取り出すことが可能である。しかし、このような多価イオンは周囲のアニオンからの束縛が強く、容易には移動しにくい。これまで報告されてきたイオン伝導体の歴史の中で、室温付近で動作する高速イオン伝導体は基本的に全て１価のイオンであった。したがって、全固体電池の固体電解質として使用可能なアルミニウムイオン伝導体の開発は、従来にない新しいアプローチが必要となる。近年、リチウムイオン伝導体やナトリウムイオン伝導体として塩化物系の材料が注目されている。これらの多くはボールミル法によって合成され、やわらかい特性により室温でのプレス成型で緻密な固体電解質となる。また、その構造は非晶質であることも多く、イオン伝導メカニズムについても興味深い点が多い。そこで、塩化物系材料に着目し、アルミニウムイオン伝導体の材料探索を行った。全ての試薬はアルゴングローブボックス中で取り扱い、ボールミルによる合成やイオン導電率測定も全て大気非曝露にて行った。各種の材料の合成をすすめたが、全て原材料が残る状況となった。塩化物系リチウムイオン伝導体等では非晶質化することが多々報告されており、それとは状況が異なった。合成した材料の中には、比較的高いイオン伝導性を示すものも見出されており、引き続き材料探索を進めるとともに、アルミニウムイオン伝導性が発現しているかの確認を進める。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

数多くの材料探索をすすめた中で、比較的高いイオン伝導性を示す材料が見いだされており、今後のさらなる進捗に期待がもてる状況にある。

今後の研究の推進方策

引き続き、ボールミル法による塩化物系アルミニウムイオン伝導体の合成と導電率測定を進める。また、適宜アルミニウムイオンによる伝導性が発現しているかを確認する。

研究成果

• [国際共同研究] University of Glasgow(英国)