全固體電池因以固體電解質代替傳統的有機電解液，有望提高安全性和延長使用壽命，所以作為新一代電池的有力候選而備受關注。最近，又發現了一種可以進一步提高性能的固體電解質。

開發品的試樣

這就是硫化物類固體電解質的一種——Li10GeP2S12。表示鋰擴散速度的離子傳導率極高，常溫（27℃）下可達1.2×10-2S/cm。是由東京工業大學、豐田汽車和高能加速器研究機構的研究團隊開發的。用主導研發的東京工業大學研究生院綜合理工學研究科物質電子化學專業教授菅野了次的話說，就是“打破了此前固體電解質無法實現的常溫10-2S/cm的障礙”。

刷新保持了30年之久的記錄

作為全固體電池實用進程中的重要課題，一直存在著固體電解質離子傳導率低的問題。其證據之一就是，迄今為止公認最高的Li3N（常溫下離子傳導率為6×10-3S/cm）在1970年代被發現以來，歷經30多年固體電解質離子傳導率也沒能提高一個數量級。

此次發現的材料常溫下達到了1.2×10-2S/cm，實現了與現有主流有機電解液同等的離子傳導率（圖1）。而且低溫下顯示了優于有機電解液的離子傳導率。

圖1：優于電解液的離子傳導率實現

東京工業大學及豐田汽車等開發的固體電解質在常溫下的傳導率達到了極高的1.2×10-2S/cm。具有超過現在使用的有機電解液和高分子電解質等傳統鋰離子傳導體的特性。（圖根據東京工業大學資料制作）

并且，因全固體電池的固體電解質中只有鋰離子移動而承擔全部電流，所以遷移數為1。而在電解液中，不僅是陽離子——鋰離子，而且陰離子也移動，所以遷移數低。因有這一特點，此次開發的固體電解質被認為顯示出了優于有機電解液的卓越性能。

此次的成果是通過“對可能具有高離子傳導率的硫化物類物質進行反復探索”（菅野）而發現的。“找到候選材料后，在單相化合成工藝上花費了約1年的功夫”。（菅野）

探明了結構和鋰的分布

除提高離子傳導率之外，此次研究的另一重大成果是對Li10GeP2S12結構的分析。由大強度質子加速器設施“J-PARC”中的超高分辨粉末中子衍射設備“SuperHRPD（BL08)”的中子衍射測定，最終探明了晶體結構。

分析結果發現，Li10GeP2S12具有不同于此前固體電解質的結構（圖2）。具體而言，Li10GeP2S12為3維骨架結構物質，在其骨架結構內部，由于鋰呈鏈條結構存在，所以實現了較高的鋰傳導性。同時還發現構成材料中鋰所占比例很高，從而證實了離子傳導率提高的原因。

圖2：骨架結構內部的鋰呈鏈條狀存在

此次開發的固體電解質（Li10GeP2S12）不同于以前的固體電解質，是擁有三維結構的物質。（c）圖上部為鋰離子的熱振動情形，鋰離子在上下方向（c軸方向）劇烈振動并影響離子傳導。（圖根據東京工業大學資料制作）

尋找和此次新材料具有相同結構的材料，就有望合成離子傳導率更高的材料。

研究團隊在材料探索的同時，也加強了實用化方面的努力。豐田汽車已經試制了使用Li10GeP2S12的全固體電池（圖3）。正、負極材料分別使用鈷酸鋰（LiCoO2）和銦（In）并測定了充放電特性。

圖3 穩定的充放電周期特性

豐田汽車試制了用Li10GeP2S12作固體電解質的全固體電池。已確認，容量超過120mAh/g，即使反復充放電10次左右，性能仍不會劣化。（圖根據東京工業大學資料制作）

其結果，獲得了非常穩定的充放電曲線。具體而言，電流密度在14mA/g時，顯示了超過120mAh/g的放電容量。第二周期以后，顯示出約100％的充放電效率，并確認之后直至第八周期均可穩定充放電。

據稱，今后將逐一解決固體電解質長期穩定性和正負極的最佳組合等實用化課題。