水素密度制御を利用した高速イオン伝導体の開発

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リチウムイオン電池のさらなる高エネルギー密度化のために、従来の有機溶媒系電解液に替わり得る非溶媒系の固体電解質の開発が強く望まれている。本課題ではクロソ型錯イオンを有する水素化物であるLi2B12H12、Na2B10H10、Na2B12H12を対象として、固体電解質としての開発に取り組んでいる。これらの水素化物はいずれも構造相転移に伴って超イオン伝導を示すものの、構造相転移温度（Li2B12H12：360℃、Na2B10H10：110℃、Na2B12H12：260℃）以下での非超イオン伝導相ではイオン伝導率が極端に低いため、固体電解質と応用するためには構造相転移温度以下でのイオン伝導特性を改善することが課題となる。それに対して、水素化物中の水素量を制御することで構造相転移温度を低下させる、あるいは非超イオン伝導相のイオン伝導特性を向上できないか検討を行ってきた。これまでに、いずれの水素化物においても（i）部分的に脱水素化した試料が合成可能であること、(ii)構造相転移温度が低下すること、（iii）非超イオン伝導相のイオン伝導特性を向上すること、などを明らかにした。2022年度は、Na2B10H10およびNa2B12H12のイオン伝導特性をさらに改善すること、またそれらを固体電解質として用いた全固体電池を作製することを目的として研究を進めた。得られた主な結果は以下の通りである。(1) 部分脱水素化を施したNa2B10H10とNa2B12H12に対してNaNH2と複合化することで、イオン伝導率が約10倍向上した。(2)TiS2（正極）、NaSn（負極）、クロソ系錯体水素化物（固体電解質）から構成される全固体電池を作製し、その充放電特性を評価した。Na2B10H10を固体電解質として用いた場合に、理論値に対して約70%の充放電容量で安定した繰り返し動作を確認することができた。