多原子イオンの高速輸送を実現！
金属錯体を使った水和型イオン伝導材料
吉成 信人（大阪大学）
中澤 康浩（大阪大学）
発明のポイント
自然界のイオン性固体
Coulombic Ionic Solids (CIS)
高密度充填
非流動性
クーロン力が優勢（EC > EN）
イオン種の空間配列が制限
材料設計のブレイクスルーが困難
錯体分子技術
ナノサイズ化
表面機能化
非クーロン力支配型イオン性固体
Non-Coulombic Ionic Solids (NCIS)
非クーロン力が優勢（EN > EC）
未知の現象や物質相の発現
固体材料の飛躍的な機能向上
イオン流動型 ＮＣＩＳ
［金属有機カルボン酸類］
大きな負電荷を持つ球状構造
間隙空間を多原子イオンが自由に透過する
- ・非常に高い金属イオン伝導度を有するイオン性固体を開発した。
- ・アニオン性異種金属錯体を用いた「イオン流動型ＮＣＩＳ」が超イオン伝導を達成。
- ・短工程で合成可能かつ水分に対して安定。固体電解質への展開が期待できる材料。
発明の概要
チオール含有アミノ酸を用いることにより金属ー有機カルボン酸類を短工程で合成可能
プロトタイプ材料（K-NCIS）は水和K+イオン（多原子イオン）の超イオン伝導を達成
(K-NCIS)
多原子イオンの拡散により温度差が濃度勾配に変換
→大きな起電力を有する熱電変換素子
金属イオンが侵入しキュバン型クラスターを形成
→「浸けるだけ」のクラスター簡便合成
イオン流動型NCISの応用例
［既存の室温固体電解質との比較］
［Ｋ－ＮＣＩＳ］ （LGPS系*1電解質）
| 主要素材 | 金属-有機カルボン酸 (K6[Rh4Zn4(L-cys)12O]·nH2O) | 金属硫化物 Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3 |
| 伝導イオン | 水和カリウムイオン （[K(H2O)3]+） | “裸”の金属イオン （Ｌｉ＋） |
| イオン質量 | ９３ｇ/ｍｏｌ | ７ｇ/mol |
| 伝導経路 | 錯体分子の間隙空間 （ナノメートル級） | 原子間隙空間 （サブナノメートル級） |
| 伝導度 | １２ mＳ/ｃｍ（３００Ｋ） | ２５ｍＳ/ｃｍ (300 K) |
| 可塑性 | 室温圧着で粒界が完全消失 | 高温焼成が必要 |
*1 Li10GeP2S12に代表される硫化物系リチウムイオン伝導材料
K-NCISは大質量イオンを輸送
→大きな物質流を発生
【全固体カリウム電池の試作】
（固体電解質）
(正極活物質)
(負極活物質)
K-NCISのイオン伝導路はナノ構造水に満たされ、氷点下でも凍結しない
→低温領域で使用可能な全固体電池
【磁気冷凍材料の作成】
金属イオンが四面体型に整列し、電子スピンが反平行になりにくい
→極低温駆動の磁気冷凍材料
想定される用途
- ◎ 水系全固体二次電池、熱電変換材料、化学反応場
ライセンス可能な特許
- 1. 発明の名称：イオン性固体
国際公開番号：WO2018/079831
登録番号：特許第7105449号(760KB)、米国11165092(759KB) - 2. 発明の名称：熱電変換素子
国際公開番号：WO2019/208753
登録番号：米国11384107(1.88MB)
