多数の水素からなるクラスターの “擬回転” を利用した室温超イオン伝導の新たな発現原理を確立

プレスリリース・研究成果

多数の水素からなるクラスターの “擬回転” を利用した室温超イオン伝導の新たな発現原理を確立

2020/04/22

発表のポイント

1つの金属原子に多数の水素が結合したクラスターが示す “擬回転” に着目
擬回転を利用することで、室温でも従来材料より優れたイオン伝導を実現
室温超イオン伝導の新たな発現原理が確立され、次世代蓄電池の開発が加速

概要

　東北大学金属材料研究所の高木成幸准教授と同大学材料科学高等研究所の折茂慎一所長らの研究グループは、1つの金属原子に多数の水素が結合したクラスター（＝“高水素配位” 錯イオン）が示す “擬回転” により促進される新たな室温超イオン伝導現象を発見しました。

　籠状構造をもつB₁₂H₁₂などの錯イオンを含む水素化物は、これらの錯イオンの高速回転がリチウムなどのイオン伝導を促進することから全固体二次電池の固体電解質としての応用が期待されています。一方、錯イオンを回転させるためには高いエネルギー（＝温度）が必要であり、実用上最も重要な室温付近で高い伝導度を得にくいことが解決すべき課題となっていました。

　今回研究グループは、自身らが2017年に発見したモリブデンに9つの水素が結合したMoH₉などの“高水素配位”錯イオンに着目し、その運動を理論計算により詳細に調べました。その結果、これらの錯イオンが素早く変形を繰り返すことであたかも高速回転しているように見える“擬回転”を示すこと、また一般的な回転運動に比べ、擬回転に要するエネルギーが1/40以下であることを発見しました。さらにMoH₉を含む水素化物のリチウムイオン伝導率を見積もったところ、室温における従来の世界記録を3倍以上も更新する79 mS cm⁻¹に到達することを見出しました。

　今回発見した室温超イオン伝導の発現機構は、MoH₉以外の高水素配位錯イオンを含む水素化物にも適用可能であるとともに、マグネシウムなど他のイオン伝導においても有効です。本研究により室温超イオン伝導の新たな発現原理が確立され、水素化物を固体電解質にもちいた全固体二次電池の開発がより一層加速されるものと期待されます。

　本成果は、2020年4月27日付（現地時間）で「Applied Physics Letters」にオンライン掲載されました。