NASICON固体電解質: 相対密度が硬度とイオン伝導性を結ぶ鍵

2025年08月25日

ナトリウムイオン電池の性能と寿命を同時に向上させる統一的戦略を提示

本研究を主導したEric Jianfeng Cheng准教授

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Na_1+xZr₂Si_xP_3-xO₁₂（NZSP）などのナトリウム超イオン伝導体（NASICON）は、高いイオン伝導性、優れた電気化学安定性、金属ナトリウムとの適合性から、全固体ナトリウム電池の固体電解質への実用化が期待されている。しかし、これを実現するためには、空隙率や粒界結合といった微細構造の特徴に左右される機械的特性と、原子レベルでのイオン移動度に依存するイオン伝導性という、根本的に異なる2つの特性のバランスをとる必要があった。

しかし、これらの特性は異なるメカニズムから生じるため、両者の関係は単純ではない。実際、過去の研究では一方の特性を改善しようとすると、他方の特性が犠牲になることが多かった。そのため、2つの特性の間に普遍的で確実な関係性を見出すことが、高性能固体電解質の設計における重要な課題となっていた。

2024年、AIMRのEric Jianfeng Cheng准教授率いる研究チームは、文献から得られた実験データについて包括的なメタ分析を行った¹。具体的には、NASICON固体電解質である焼結多結晶NZSPに着目し、統計的手法を適用して、さまざまな組成における機械的特性（特に硬度）とイオン伝導性との関係を評価した。

Cheng准教授は、「今回私たちは、相対密度の役割に着目するという新しいアプローチを取りました。相対密度は、実際の材料の密度が理論上の最大値に対してどの程度であるかを示す、微細構造を反映したパラメータです。その結果、データセット全体において、相対密度がドーピングや粒径などの他の要因よりも、硬度とイオン伝導性の両方により一貫した影響を与えることを発見しました」と、説明する。

本研究における重要な発見の一つは、容易に測定可能な硬度が、酸化物固体電解質におけるイオン伝導性の予測因子として機能することである。この知見により、硬度測定を実用的かつ効率的なスクリーニング法として活用することができる。また、放電プラズマ焼結や焼結助剤を用いた相対密度の最適化が、次世代ナトリウムイオン電池の性能と寿命の両方を改善する両立可能な戦略であることが実証された。

さらにCheng准教授は、「今後の方針として、固体電解質における機械的特性と電気化学的特性の相互作用をさらに調査していきます。原子レベルでの解析などを通じて、これらの根本的な相関関係に対する理解を深めていく予定です」と、語っている。

A personal insight from Dr. Eric Jianfeng Cheng

この研究で最もやりがいを感じたのはどの部分ですか?

最もやりがいを感じたのは、NASICON固体電解質における硬度とイオン伝導性の間に正の相関関係があることを見出したことです。この2つの特性は通常、別々のもの、あるいは競合するものとして扱われるため、最初は明らかではなかった関連性が慎重なデータ解析によって浮かび上がってきたときの興奮と達成感は格別でした。これは、将来の材料研究をより統合的な方法で導く道筋を示唆するものだと考えています。

（原著者：Patrick Han）

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Cheng E.J., Yang T., Liu Y., Chai L., Garcia-Mendez R., Kazyak E., Fu Z., Luo G., Chen F., Inada R., Badilita V., Duan H., Wang Z., Qin J., Li H., Orimo S. and Kato H. Correlation between mechanical properties and ionic conductivity of polycrystalline sodium superionic conductors: A relative density-dominant relationship Materials Today Energy 44, 101644 (2024). | DOI: 10.1016/j.mtener.2024.101644