추수문학원대학의 타카미 츠요시 교수의 연구팀은 규슈대학의 타다 토모시 교수와 공동으로 간편한 화학불화를 이용해 데이터베이스에 존재하지 않는 새로운 물질의 합성에 성공하여 실온 부근에서 불화물 이온이 초이온 전도하는 것을 실증했다. 리튬이온 전지를 대체하는 차세대 전지의 개발 가속이 기대된다.
「전고체 불화물 이온 전지」(FIB)는, 불화물 이온(F-)이 고체 전해질을 통해 정극·음극 사이를 이동해 충방전할 수 있는 차세대형의 축전지. 리튬 이온 전지보다 에너지 밀도가 높고, 전 고체 전지 때문에 안전하고, 리튬의 50배 풍부하게 존재하는 불소를 사용하기 때문에 저렴하다. 그러나, FIB의 동작 온도는 고체 전해질의 불화물 이온 전도율이 낮기 때문에 실온을 초과하는 140℃ 이상이 된다. 또한, 고체 전해질의 이온 전도율 향상에는 이온이 통과할 수 있는 간극(공공)을 만들어야 한다.
연구에서는 이번 불화 크세논(XeF2)을 이용하여 저온(200℃)에서 화학 불화를 실시. 그 결과, 통상은 복잡한 구조(orthorhombic상)를 유지할 것이지만, 신기하고 단순한 구조(cubic상)로 구조상 전이한 신물질 TlF(불화탈륨)를 얻었다. 이 구조는 기존의 구리 초이온 전도체의 역구조[Cu 사이트가 F, Br(브롬) 사이트가 Tl(탈륨)으로 구성]이며, Intrinsic(내재적인) F 공공이 세계 최고 수준의 비율로 도입되고 있었다. 또, 150℃ 부근까지 화학적으로 안정하고, Tl과 F는 입자 내에 거의 균일하게 분포. 온도 상승에 의해 이온 전도율은 증가하여 60℃에서 초이온 전도 영역에 도달하였다.
이 결과로부터 연구팀은 우수한 불화물 이온 전도체의 실현을 위해 Intrinsic F 공공을 이용하는 새로운 설계 지침을 제안하고 있다. 이번 발견은 새로운 불화물 이온 전도체 창출을 향해 전략의 확산을 시사하는 것으로 하고 있다.
