Design Principles of Solid-state Fast Ion Conductors

現在のエネルギーと環境問題から注目されている全固体蓄電池に必要な高速イオン伝導体の開発指針を分子動力学シミュレーションから確立することを目的に、種々のタイプのイオン伝導体についての分子動力学計算を行った。高いイオン伝導性を示すクロソボラン系の水素錯体では、アニオン（負イオン）が回転することで秩序－無秩序の構造転移が起こり、この転移する温度を低くすることが実用上重要であるが、そのためにはイオンサイズの大きなカチオン（リチウムイオンなどの正イオン）を含むことが有効であることを見出した。しかし、大きなカチオンは、イオン伝導経路を通過するのに抵抗が大きくなる傾向にあるが、大きな結晶セルを用いることでこれを避けることが示唆された。ハニカム型の層状のイオン伝導体では、リチウムイオンなどのカチオンの存在している層の間隔を大きくすると指数関数的にそのイオンの伝導性が高くなることを、ニッケルあるいは鉄を含むテルル酸化物で、分子動力学シミュレーションから見出した。また、これらではイオンがリング状に遷移する興味ある機構の存在も見出した。アニオン回転型の高速イオン伝導体は、アニオンの回転によるエントロピー効果で、同時に巨大な圧力誘起熱効果を示すことも見出した。この効果の値が大きいことから固体の冷媒として利用できる可能性がある。一般に普及している冷却装置あるいはヒートポンプでは温室効果ガスを利用するが、固体の熱冷媒に置き換えることでこの温室効果ガス漏洩の問題を避けられる。高いイオン伝導性を示すホウ素水素錯体では、大きな圧力誘起熱効果だけでなく、実稼働に必要な温度・圧力条件が適正にバランスしてその効果を示すことを見出した。これらが、アニオンの回転効果と低い振動数領域の特性によることを明らかにした。

現在のエネルギーと環境問題から注目されている全固体蓄電池に必要な高速イオン伝導体の開発指針を分子動力学シミュレーションから確立することを目的に、種々のタイプのイオン伝導体についての分子動力学計算を行った。高いイオン伝導性を示すクロソボラン系の水素錯体では、アニオン（負イオン）が回転することで秩序－無秩序の構造転移が起こり、この転移する温度を低くすることが実用上重要であるが、そのためにはイオンサイズの大きなカチオン（リチウムイオンなどの正イオン）を含むことが有効であることを見出した。しかし、大きなカチオンは、イオン伝導経路を通過するのに抵抗が大きくなる傾向にあるが、大きな結晶セルを用いることでこれを避けることが示唆された。ハニカム型の層状のイオン伝導体では、リチウムイオンなどのカチオンの存在している層の間隔を大きくすると指数関数的にそのイオンの伝導性が高くなることを、ニッケルあるいは鉄を含むテルル酸化物で、分子動力学シミュレーションから見出した。また、これらではイオンがリング状に遷移する興味ある機構の存在も見出した。アニオン回転型の高速イオン伝導体は、アニオンの回転によるエントロピー効果で、同時に巨大な圧力誘起熱効果を示すことも見出した。この効果の値が大きいことから固体の冷媒として利用できる可能性がある。一般に普及している冷却装置あるいはヒートポンプでは温室効果ガスを利用するが、固体の熱冷媒に置き換えることでこの温室効果ガス漏洩の問題を避けられる。高いイオン伝導性を示すホウ素水素錯体では、大きな圧力誘起熱効果だけでなく、実稼働に必要な温度・圧力条件が適正にバランスしてその効果を示すことを見出した。これらが、アニオンの回転効果と低い振動数領域の特性によることを明らかにした。