大阪府立大学の塚崎裕文　研究員、森　茂生　教授、林　晃敏　教授、辰巳砂　昌弘　教授と、群馬大学の森本　英行　准教授らは、JST戦略的創造研究推進事業　先端的低炭素化技術開発・特別重点技術領域「次世代蓄電池」（ALCA-SPRING）の一環として、近年、全固体電池への応用が期待されている固体電解質材料、ガラスおよびガラスセラミックスにおける非結晶状態の直接観察に初めて成功しました。

研究成果のポイント

• これまで均質な非結晶状態と考えられていた固体電解質のガラス状態が、実は大きさ数nmのナノ結晶を含んだ不均一な状態であることを、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いたその場観察（解説1）によって初めて明らかにしました。
• 一方、ガラスを結晶化させて得られるガラスセラミックスは、高いイオン伝導度を示すナノ結晶の集合体で特徴づけられることが明らかになりました。
• 本研究成果は、次世代全固体リチウム電池の実用化に大きく貢献します。

一般的にLiイオン伝導パスとしての役割を担う固体電解質には2種類存在します。 1つは非結晶状態で特徴付けられるガラス、もう１つは、ガラスを結晶化させて得られるガラスセラミックスです。高いイオン伝導度を示す固体電解質を開発するためには、非結晶状態や非結晶マトリックス中での結晶の形態・つながり方を解明することが極めて重要です。本研究では、硫化物系Li₂S-P₂S₅無機固体電解質に着目し、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて、ガラス、およびガラスセラミックスの微細構造の直接観察を試みました。さらに、全固体電池における熱的安定性評価に向けた研究の一環として、加熱その場観察によりガラスの結晶化挙動の特徴も明らかにしました。

80Li2S・20P2S5ガラスセラミックスの高分解能電子顕微鏡像

なお、 本研究成果は「Scientific Reports」誌にて、日本時間 2017年6月23日に掲載されました。

論文タイトル「Direct observation of a non-crystalline state of Li₂S−P₂S₅ solid electrolytes」（Li₂S・P₂S₅固体電解質における非結晶状態の直接観察）

• 掲載論文（「Scientific Reports」Webサイト）
• プレスリリース全文（976KB）

用語解説

解説1 その場観察

その場観察とは、透過型電子顕微鏡（TEM）鏡体内で試料の微細構造、ならびに相変化や核生成などの過程をリアルタイムで直接観察することを言います。本研究で用いたTEMホルダーには、不活性ガス雰囲気を保持するだけでなく、温度をリアルタイムに制御できる機能があります。これにより、Li₂S・P₂S₅ガラス電解質のナノ構造や結晶化挙動を直接観察することが可能となります。