大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
国立大学法人 京都大学
本研究成果のストーリー
Question
リチウムイオン導電性固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) 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、既存の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。
Findings
リチウムイオン伝導に最適な状態をつくるため、酸化サマリウム（Sm2O3）を焼結添加剤として使用することで、LATP固体電解質の微細構造および原子配列（結晶構造）を調整（構造チューニング）し、イオン伝導率を10倍程度上昇させることに成功しました。特に、粒子間界面のイオン伝導率（粒界イオン伝導率）を大幅に改善することができました。また、中性子回折法とX線回折法を併用し、本系の結晶構造について詳細に調べました。その結果、LATP中のPO43-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。さらに、この反応によりLATPが微細化し、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。
Meaning
本系の微細構造や結晶構造およびイオン伝導性の解明によって、リチウムイオン導電性固体電解質のイオン流れに関する理解をより深めることができると考えられます。さらに、本研究成果が、全固体リチウムイオン電池、特に固体電解質の材料開発に大きく貢献することも期待されます。
概要
全固体リチウムイオン電池（※1）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Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)に対して、イオン伝導率（※2）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（※3）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（※4）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PO43-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。
※1．リチウムイオン電池
プラスのリチウムイオン（Li+）が正極と負極の間を移動して充放電する蓄電池。
※2．イオン伝導率
抵抗率の逆数で、物質中でのイオンの流れやすさを表す。単位はS/cm（S：ジーメンス）。
※3．電気化学インピーダンス分光法（EIS）
交流電位の周波数に依存して材料のインピーダンスを測定する電気化学測定手法。EISはElectrochemical Impedance Spectroscopyの略。
※4．中性子回折法
中性子による回折現象を利用し、原子配列を観察する実験手法。特に、軽元素（水素、リチウム、フッ素、酸素、等）に敏感であることが大きな利点である。
詳しくは プレスリリース をご参照ください。
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