酸化サマリウム焼結添加剤を用いて構造チューニングしたLATP固体電解質の原子配列およびイオン伝導性の解明〜低価格の全固体リチウムイオン電池実現への期待～

研究者情報

概要

　全固体リチウムイオン電池の実用化を始めとした今後の蓄電池開発において、リチウムイオン導電性固体電解質は重要なキーマテリアルとなります。高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所 ソウ ホウシュウ CIQuS博士研究員、同研究所 森一広 教授、京都大学大学院エネルギー科学研究科 高井茂臣 准教授らの共同研究グループは、リチウムイオン導電性固体電解質Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃ (LATP)に対して、イオン伝導率が10倍程度上昇する新たな手法を見出し、本系のイオン伝導性を原子レベルで解明しました。

　LATP固体電解質は、原材料や製造コストが安価であるため、低価格の全固体リチウムイオン電池の実現において有望な材料です。一方、蓄電池の高性能化において、現状のLATP固体電解質は未だ十分なイオン伝導率に到達しておらず、本系のイオン伝導率を改善するための方法について模索していました。

　本研究では、希土類酸化物の1つである酸化サマリウム（Sm₂O₃）を焼結添加剤としてLATP固体電解質へ添加し、熱処理（1000℃）を施すことで、LATPの微細構造および原子配列（結晶構造）をチューニングした結果、未添加LATPのイオン伝導率と比較して10倍程度上昇させることができました。また、電気化学インピーダンス分光法より、粒子間界面のイオン伝導率（粒界イオン伝導率）が大幅に改善していることを明らかにしました。さらに、中性子回折法とX線回折法を併用し、本系の原子配列（結晶構造）を精密に決定しました。その結果、LATP中のPO₄^3-イオンがSm₂O₃焼結添加剤と再結合し、SmPO₄相やLiTiOPO₄相を生成していることがわかりました。この反応はLATPの微細化を促進し、LATPの結晶構造内のLi含有量が変化することもわかりました。

　本研究成果は、2026年10月28日（米国時間）に、米国化学会（ACS）発行のエネルギー材料科学の専門誌「ACS Applied Energy Materials」のオンライン版に掲載されました。

画像