高輝度光科学研究センター
島根大学
大阪公立大学
高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
名古屋工業大学
山形大学
琉球大学
東北大学
概要
高輝度光科学研究センター回折散乱推進室の山田大貴研究員、尾原幸治主幹研究員（現：島根大学材料エネルギー学部教授）、廣井慧任期制専任研究員（現：島根大学材料エネルギー学部助教）、大阪公立大学の林晃敏教授、森茂生教授、作田敦准教授、塚崎裕文特任准教授、中島宏特任助教、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所の池田一貴特別准教授、千葉大学の大窪貴洋准教授、ハンガリー科学アカデミー（ハンガリー）のラスロ・プスタイ科学顧問、ラスロ・テムレイトナー主任研究員、名古屋工業大学の小林亮助教、山形大学の臼杵毅教授、琉球大学の田原周太准教授、東北大学の雨澤浩史教授、物質・材料研究機構の館山佳尚副拠点長らによる共同研究グループは、大型放射光施設 SPring-8のBL04B2ビームラインにおける高エネルギーX線回折および、大強度陽子加速器施設J-PARCのBL21 NOVAにおける中性子回折を活用することにより、Li3PS4硫化物ガラスにおけるLiイオン輸送環境の解明に成功しました。
ガラス中のLiイオン輸送を原子・分子レベルで制御することは、電気自動車向け技術等として期待される全固体電池の実現に向けた鍵となります。固体電解質の有力候補であるLi3PS4ガラスは、理論研究よりLi+の移動とPS43-イオンの振動が連動して生じてLi+が固体中を移動することが提唱されていますが、これまで実験的には明確に把握できていませんでした。
本研究では、ガラス中に存在するLiイオンの価数をトポロジカルに解析するBader法により評価することで、Li3PS4ガラスには3種類のLiイオン輸送環境が存在し、より移動性の高いLiイオン（Li3型イオン）は4.0～5.0Å（オングストローム）という比較的長い距離で存在しやすいことを解明しました。さらにスーパーコンピュータ富岳を用いた、機械学習を組み込んだ逆モンテカルロシミュレーションよりX線、中性子、電子線回折の実験データを再現し、一部結晶化したガラス構造では、このLi3型イオンの増加によりLiイオン輸送特性が向上していることを発見しました。本研究成果は、イオン伝導ガラスの新物質開発や特性の理解を促進し、新しい固体電解質材料の開発に新たな指針を提供するものです。
本研究成果は、2023年4月3日（月）にWiley社の国際科学誌「Energy & Environmental Materials」に掲載されました。また、本研究は科学研究費助成事業 新学術領域研究「蓄電固体界面科学」の計画研究メンバーが連携して推進しました。
ポイント
・本研究成果は、イオン伝導ガラスの新物質開発や特性の理解を促進し、新しい固体電解質材料の開発に新たな指針を提供するものです。
・硫化物ガラスLi3PS4中に存在するLiイオンの電荷雲をトポロジカルに解析し、3種類のLiイオン環境が存在することを解明しました。
・液体・非晶質物質の構造解析に用いられる逆モンテカルロ（reverse Monte Carlo, RMC）シミュレーションに機械学習を適用することに成功しました。
・本研究は、日本が世界に誇る大規模研究施設である“大型放射光施設SPring-8”、“大強度陽子加速器施設（J-PARC）”、“スーパーコンピュータ「富岳」”から得られた結果を複合的に用いることで、Liイオン輸送特性が向上している一部結晶化したガラスのLiイオン環境の解明に初めて成功しました。
お問い合わせ先
高エネルギー加速器研究機構（KEK）広報室
Tel : 029-879-6047
e-mail : press@kek.jp