固体イオニクスについて

固体イオニクスとは？

固体イオニクスとは、固体内のイオンの動きを研究する学問分野です。固体のイオン伝導性がどのように発現するのか、固体内をどのイオンが、どのように伝導するのかを明らかにし、それに基づき材料機能の設計、あるいは新規材料の開発を行うことを目的としています。
　　燃料電池や二次電池などのエネルギー変換デバイスは、物質中をイオンが動く現象を利用したデバイスであるため、固体イオニクスは、これらのデバイスの開発ならびに高性能化・高信頼性化に取り組む上で必須の学問であると言えます。

固体イオニクス材料

　固体イオニクスの研究対象となる、固体内をイオンが伝導できる材料のことを、固体イオニクス材料と呼んでいます。固体イオニクス材料は、無機化合物、ガラス、固体高分子あるいはそれらの複合材料など、非常に多岐に及びます。
　その中でも、雨澤研究室は、特に無機化合物に着目しています。その主な応用展開先としては、燃料電池の中でも最も高いエネルギー変換効率を有する固体酸化物形燃料電池(SOFC)や、スマートフォン、ラップトップPCや電気自動車などのモバイル機器用電源として欠かせないリチウムイオン二次電池(LIB)などがあり、まさに現代の環境・エネルギー問題解決のためのキーマテリアルの一つであると言えます。

固体イオニクス材料の「欠陥」とイオン伝導性

　固体イオニクス材料の中でも、特に無機化合物におけるイオン伝導には、結晶内の「欠陥」が大きな役割を担っていると言われています。以下の図は、「欠陥」の存在しないイオン性結晶と、結晶内に「欠陥(一例として空孔)」が存在するイオン性結晶を模式的に表しています。左側の欠陥が存在しないイオン性結晶では、全ての陽イオンと陰イオンが規則正しく配列しており、どのイオンもその位置から動くことは容易ではありません。一方で、右側のイオン性結晶では、イオンが本来位置すべき場所になく、 “穴が空いている個所”(いわゆる空孔)が所々に存在しています。このように、結晶内に空孔が存在すると、イオンがそこを介して移動できるようになります。そのため、例えば電場などの駆動力が結晶に加わると、イオンが結晶内を流れ、イオン伝導性が発現します。このように、固体イオニクス材料の「欠陥」とイオン伝導性には、非常に密接な関係があります。