研究成果

ヒドリドイオン「H-」伝導体の発見 -水素を利用した革新的エネルギーデバイスの開発の可能性-


2016年03月18日


     小林玄器 分子科学研究所特任准教授、田中功 工学研究科教授、菅野了次 東京工業大学教授、米村雅雄 高エネルギー加速器研究機構特別准教授らの研究チームは、水素の陰イオンであるヒドリド(H-)伝導性の固体電解質La2-x-ySrx+yLiH1-x+yO3-y(以下LSLHO)を開発しました。

    研究者からのコメント

     今後は、より伝導率の高いH-イオン伝導体の創成を目指して物質探索を進めるとともに、H-の酸化還元電位を活かした電池反応の構築を目指します。本成果を通し、既存のエネルギーデバイスに用いられているLi+やH+、O2-、Mg2+などのイオン伝導種に新たにH-が加わったことで、次世代エネルギーデバイスの開発に向けた新たな潮流が生まれることを期待しています。

    概要

     イオンが拡散することで電気伝導が生じる物質であるイオン伝導体は、二次電池や燃料電池の基幹材料として電極や電解質に用いられ、プロトン(H+)やリチウム(Li+)を伝導する物質が実用材料として開発されています。ヒドリド(H-)は、イオン伝導に適したイオン半径と、卑な酸化還元電位を持つことから、H-を電荷担体とするイオン伝導体を蓄電・発電反応に利用することができれば、高電位・高容量のエネルギーデバイスを実現できる可能性があります。しかし、化学的に安定であり、かつH-のみがイオン伝導する物質はこれまでに発見されておらず、H-をエネルギーデバイスに応用する試みはありませんでした。

     そこで本研究チームは、H-が酸化物イオン(O2-)と共存する副格子をもつ酸水素化物と呼ばれる物質系に着目し、構成元素にH-より電子供与性の強いリチウム(Li)、ストロンチウム(Sr)、ランタン(La)を採用して、H-からの電子供与を抑制することで固体電解質として利用できる初めてのH-伝導体であるLSLHOを開発することに成功しました。

     さらに、開発したLSLHOを用いて、H-を電荷担体とする全固体型の電気化学エネルギーデバイスが作動することを初めて見出し、H-電気化学デバイスの作動原理を実証しました。

    La2-x-ySrx+yLiH1-x+yO3-yの結晶構造

    H-含有量の増加に伴い、Liと陰イオンで形成される八面体内の配位環境が変化する。La2LiHO3ではLiにH-が直線的に二配位する。LaSrLiH2O2ではLiにH-が4配位してLiH4平面が形成される。Sr2LiH3Oでは新たに八面体の頂点位置の半分がH-で占有される。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    [DOI] http://dx.doi.org/10.1126/science.aac9185

    Genki Kobayashi, Yoyo Hinuma, Shinji Matsuoka, Akihiro Watanabe, Muhammad Iqbal, Masaaki Hirayama, Masao Yonemura, Takashi Kamiyama, Isao Tanaka, Ryoji Kanno
    "Pure H– conduction in oxyhydrides"
    Science Vol. 351, Issue 6279, pp. 1314-1317, 18 Mar 2016


    ヒドリドイオン「H-」伝導体の発見 -水素を利用した革新的エネルギーデバイスの開発の可能性-
    現在の画像 JPEG image — 16 KB