2025年 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所 准教授　程建鋒
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 正極と負極で挟む電解質を従来の液体から固体に変えて電池全体を固体で構成する「全固体電池」の重要な構成要素である固体電解質の一種「ガーネット型酸化物LLZO（Li₇La₃Zr₂O₁₂）^（注1）」について、代表的な焼結法を系統的に比較しました。
• ホットプレス（Hot Press：HP）^（注2）と放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering：SPS）^（注3）のどちらの手法を用いても、焼結温度における数分間の処理により、同等の高密度化が実現できることを明らかにしました。
• 焼結体の構造や機能に手法による大きな差は見られず、焼結を進める決め手は「圧力と熱」であることを見出しました。
• 研究設備やコストの制約に左右されることなく、両手法を柔軟に選択できることで、今後全固体電池の研究開発が加速することが期待されます。

【概要】

全固体電池は火災や発火の危険性が少なく、安全性や寿命などの点で優れていることから、次世代電池として大きな期待が寄せられています。全固体電池の重要な構成要素である固体電解質の作製手法としては、代表的な手法にHPとSPSがありますが、これまではSPSが特に優れていると考えられてきました。

今回、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の程建鋒准教授らの研究チームは、固体電解質材料であるガーネット型酸化物Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）を対象に、HPとSPSを用いた焼結を直接比較しました。その結果、いずれの方法でも、焼結温度において数分間の処理で同等な高密度化を実現できることを解明し、従来考えられていたSPS特有のプラズマ効果は確認されず、圧力と熱が焼結体の構造と機能を決定付けていることが分かりました。これにより、固体電解質の研究開発における手法の選択肢が広がり、全固体電池の研究開発が加速することが期待されます。

本成果は、中央ヨーロッパ夏時間の8月28日にナノサイエンスとナノテクノロジーの国際的学術誌Smallのオンライン速報版に掲載されました。

【用語解説】

注1．ガーネット型酸化物LLZO（Li7La3Zr2O12） ガーネットは柘榴（ざくろ）石。立方晶系で体心立方格子の結晶構造をしている。同様の結晶構造の物質の化学組成は一般にA3B2(XO4)3（A：Mg, Fe, Ca, Mnなど、B：Al, Fe, Crなど、X：Si, Fe, Alなど）で表記される。高いイオン伝導度と安定性を持つ酸化物固体電解質。

注2. ホットプレス（Hot Press：HP） 粉末に高温と圧力を同時に加えて焼結する方法。

注3. 放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering：SPS） 黒鉛製のダイスとパンチを通じてパルス電流を流しながら高温・高圧を印加する焼結法。「プラズマ効果」による高速焼結が特徴とされている。

【論文情報】

タイトル：High-Temperature Sintering of Garnet Solid Electrolyte Li₇LA₃Zr₂O₁₂
: A Comparative Study of Induction Hot Pressing and Spark Plasma Sintering
著者：Mikihisa Fukuda, Ying Li, Jing Wei, Koichi Harata, Guoqiang Luo, G. Jeffrey Snyder, Yutaka S. Sato, Hidemi Kato*, Eric Jianfeng Cheng*
*責任著者：東北大学材料科学高等研究所　准教授　程建鋒　東北大学金属材料研究所　教授　加藤秀実
掲載誌：Small
DOI：10.1002/smll.202506257
URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202506257

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）　
准教授　程建鋒
TEL: 022-217-5990
Email: ericonium*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）
広報戦略室
TEL: 022-217-6146
Email: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）