追手門学院大学の高見剛教授らの研究チームが全固体フッ化物イオン電池に向けたフッ化物イオンとアニオン電子の新たな交換反応を実証 ― フッ化物イオン伝導体開発の新境地へ

追手門学院大学（略称：追大、大阪府茨木市、学長：真銅正宏）の高見剛教授の研究チームは、名古屋大学の旭良司教授、高エネルギー加速器研究機構の森一広教授と共同で、フッ化物イオンを正極と負極の間で行き来させる固体電解質（※1）に、初めて電子が格子間に存在する化合物を用い、フッ化物イオンとアニオン電子（※2）の交換反応からフッ化物イオンの伝導が行われることを実証。これにより伝導率の高い新たなフッ化物イオン伝導体の開発に向けた探索対象の広がりが期待される。なお本研究成果は、2024年6月11日（米国時間）に米国化学会の学術誌『Chemistry of Materials』に掲載された。




【本件のポイント】
○フッ化物イオンとアニオン電子の交換反応を実証
○格子間に電子が存在する電子化物由来の物質でフッ化物イオンの伝導が発現
○全固体フッ化物イオン電池の固体電解質の開発に向けた新たな探索対象を開拓

【概　要】
　脱炭素社会の実現に向けて、電気を繰り返し充放電できる二次電池の重要性が増している。現在、主流であるリチウムイオン電池に用いられるリチウムは、埋蔵量が少なく、供給が需要に追いつかなくなるという懸念もあり、レアメタルを使用せずに高いエネルギー密度を持つ次世代電池の開発が進められている。
　全固体フッ化物イオン電池は、フッ化物イオンが固体電解質を通して正極と負極の間で行き来することで充放電する蓄電池である。多くとも一電子の反応を伴うリチウムイオン電池と異なり、フッ化物イオン電池は、一度に複数の電子が反応に関与する多電子反応を用いるため、容量を高めることが可能。近年では、リチウムイオン電池の数倍の容量をもち、高い安定性と長時間の使用にも耐えるとされ、高性能蓄電池として期待されている。また、液体でなく固体電解質を用いることで発火のリスクを抑え、設計の自由度も増す。しかしその開発に向けては、室温状態で高いフッ化物イオン伝導率（※3）を示す材料の開発が欠かせない。
　実用化できる多結晶状態での固体電解質としては、これまでランタン・バリウム・フッ素を用いた化合物（La0.9Ba0.1F2.9）が一般的で、フッ化物イオンが動く空孔を作り、フッ化物イオンを伝導させていく仕組みが用いられてきたが、伝導率の向上には限界があった。
　本研究では、バリウム、窒素、フッ素からなる電子化物（※4）である複合アニオン化合物を合成し、電子化物の隙間にある格子間アニオン電子e⁻がフッ化物イオンに交換されることで、フッ化物イオンが伝導する新たな反応を実証した。電子化物由来の物質でフッ化物イオンの伝導を実現したのは初めて。全固体フッ化物イオン電池の開発に向けた、新たな固体電解質の探索的な開拓が期待される。