2010.３

No.49

ヨウ化銀を用いた全固体型電池の模式図〜ナノテクが可能にする安全・安心な全固体型電池〜

SPring-8を使った研究の受賞情報！
・第７回ひょうごSPring-8賞・2009年度朝日賞

市民公開講座「こんな分野もあった！あなたの知らない科学」開催

4/29（木）第18回SPring-8施設公開
SPring-8 News アドレス
http://www.spring8.or.jp/ja/sp8news
独立行政法人 理化学研究所（RIKEN）

ナノテクが可能にする
安全・安心な全固体型電池

全 固体型電池への期
待界で初めて、室温で安定な固体電解質の可能性を示したこの研ヨウ化銀は固体でありながら私たちの身の回りには、電気究成果は、将来性が高く評価さ液体なみの高いイオン伝導性を製品があふれています。電気は、れ、2009年５月の英国科学誌示す物質（超イオン伝導体）としコンセントから取る場合もあり

Nature Materialsに掲載されて以前から知られていました。

ますが、持ち歩く携帯電話やノました。

しかし、ヨウ化銀が超イオン伝導状態になるには、147℃以上ートパソコンなどには電池が使われています。
電池は正極（プラス）と負極（マつ固体を見つけることです。

分 野を融合させるひらめきに温度を上げなければならず、実用化には至っていません。

イナス）と液体の電解質 ＊1 から電池に使われる電解質の条件「ヨウ化銀の物理的な性質は変構成され、電気をつくり出しては、電気をもったイオンが十分えようがない」と多くの人が考えいます（図1）。最近は、パッケな量、十分な速さで移動するこる中で、「 ナノサイズの粒子にしージングなど電池をつくる技術とです。電解質に適した物質は、たら良いかもしれない」と思いつも良くなりましたが、それでも、これまで液体しか見つかっていいたのが北川先生でした。
化学が過熱による変形や膨張、発火事ません。電解液に代用できる固専門で、ナノ粒子にすると物質の故は後を絶ちません。また、液体を探すということは、電解液性質が変わることに着目して研漏れや車のバッテリーが寒さでに匹敵するイオン伝導性＊2をも究していましたが、物理にも興味凍ってしまったという経験をした人は案外多いことでしょう。
こうした電池の性能や安全上の問題は、固体の電解質を使った全固体型電池が実現すれば解決されるものです。
京都大学教授で、九州大学の招聘教授を兼任している北川宏先生と九州大学の牧浦理恵特任助教は、理化学研究所の高田昌
樹主任研究員と加藤健一研究員らと共同で、ナノサイズ（ナノメートルは10億分の1メートル）のヨウ化銀（AgI）を電解質として使う研究をしてきました。世

課題・液漏れ・動作温度範囲が狭い（液体の凝固・蒸発）・加熱による変形・膨張・爆発特徴
・高い安定性・高い安全性
揮発性の物質を含まない
爆発性の物質を含まない
液漏れの心配がない
ショートが起きにくい
変形しにくい・作製が容易頑丈な金属パッケージが不要
さまざまな形状への加工が容易（薄膜状など）
課題
・固体電解質のイオン伝導性が低い

図1. 従来の電池の構造と課題（左）と全固体型電池への期待固体の電解質が見つかれば、電池はより安全で使いやすくなる。

この記事は、京都大学教授（大学院理学研究科 化学専攻）で、九州大学の招聘教授（大学院理学研究院 化学部門）を兼任している北川宏先生にインタビューして構成しました。

通常状態（β/γ相）
Ag＋イオンとI−イオンが対をつくり動けないので、イオン伝導度は低い。

図2. 作製したヨウ化銀（AｇI)のナノ粒子（写真）と各ナノ粒子が超イオン伝導状態になる相転移温度（グラフ）。AgI粒子の状態は、温度を上げると通常状態（β/γ相）から超イオン伝導状態（α相）に相転移し、その粒子が小さいほど、相転移温度は低くなる。

があり学会に足を運んでいましトルから10ナノメートルの範在し、どちらもイオン伝導性にた。
物理の世界で、ヨウ化銀が固囲でいろいろな大きさの粒子を乏しい状態です。温度を上げる

体電解質になりうるかもしれなつくり、それぞれが超イオン伝とヨウ化物イオンの間を銀イオいと期待されながらも、温度を導状態になる温度を調べました

ンが液体のように高速で動き回下げる という課題を克服できな（図2）。その結果、粒子サイズるα相と呼ばれる状態になりまいことを知って、ナノ粒子にするが小さければ小さいほど、超イす。
このような状態（α相）は副格ことを考えたのです。
金をナノ粒オン伝導状態になる相転移温度

子融解と呼ばれ、超イオン伝導子にすると融点が下がることなが低くなりました。特に10ナ状態を示します。
通常、ヨウ化銀

どを知っていた北川先生にとっノメートルまで小さくすると、が完全にα相になるには、ては、ごく自然の発想だったと言

室温に近い40℃にまで下がる147℃まで温度を上げなけれいます。

ことがわかり、実用化も視野にばなりません。
しかし、粒子をナ入ってきました。

ノサイズにすれば、より低い温ヨ ウ化銀のナノ粒子度でα相になるのです。

「実用化を考えると、ヨウ化世 界が認める研究成果は温度によって変化します。α

銀をナノ粒子にするのが難しくなぜナノ粒子にすると、より相が占める割合が大きいほどイては困ります」。試行錯誤の末、低い温度で超イオン伝導状態にオン伝導性が高いと予想されま水溶液とヨウ硝酸銀（AgNO 3 ）なるのでしょうか。この問いにすが、それを明らかにするため化ナトリウム（NaI）
水溶液と有答えるために、SPring-8の粉には、αβγの比率がわからな機ポリマー・PVP（ポリ-N-ビ末結晶構造解析ビームラインければなりません。これら３つニル-2-ピロリドン）の水溶液をBL02B2で構造常温常圧下で混合して、ろ過、解析を行いまし乾燥させるという簡単な方法

た（写真1）。

で、つくれることがわかりまし

ヨウ化銀は、正た。PVPに保護されたヨウ化の銀イオン（Ag+）

銀のナノ粒子は、安定性が高いと負のヨウ化物上に、サイズも揃った良質なもイ オ ン（ I − ）か らのです。また、硝酸銀とPVPできたイオン性の比率など、作製条件を変える化合物です。
ヨウことで、異なる粒子サイズをつ化銀は室温では、くり分けることもできます。

β相とγ相と呼こうして、直径40ナノメーばれる状態で存

これらαβγ３つの相の比率

写真1. ヨウ化銀ナノ粒子の構造解析に使われた粉末結晶構造
解析ビームラインBL02B2（撮影：吉岡悟）。

の相の結晶構造はそれぞれ異なはますます高くなっています。

うしてこのような現象が起こるります。BL02B2は、物性に関連した精密な結晶構造解析に分に実用に耐えうるものです。
ど

実 用化まであと一歩のか、そのメカニズムを解明するれどのように存在するかまで詳

北川先生は、ヨウ化銀のナノけられています。
また、10ナノメ細な構造解析が可能です。図2粒子を使った全固体型電池とはートルよりも小さな粒子についのグラフに示すP点では、直径どのようなものになるか、具体ては、さらに低い温度で高いイオ約10ナノメートルのヨウ化銀的に考え始めています（表紙）。

ン伝導性を示すことが予想されをいったん190℃に加熱した負極の銀がイオンになり、そのるだけに、結果を知りたい気持ち

のち、約40℃まで温度を下げ際に放出された電子が電気としがはやります。て測定したところ、超イオン伝て使われます。負極の銀イオン

ただこれらの実験は全て、交導状態を示すα相の占める割合

は固体電解質のヨウ化銀の中を流電流で行われたもので、電池は70.7%、β相は18.4%、γ移動して正極の五酸化バナジウとして利用するには直流電流に相は10.9%でした。

ムに到達します。

ついての検討が必要です。実用適していて、αβγ相がそれぞために、SPring-8での解析が続「イオン伝導性と構造の相関に今回の研究で、直径10ナノメ化にはもう少し時間がかかりそ関するデータは、Natureートルのヨウ化銀は、α相が全くうですが、 私たちの生活をよりMaterialsでも高く評価されまない４℃でも、従来のヨウ化銀の安全にしてくれる全固体型電池した」と北川先生。世界のトッ10万倍のイオン伝導性を示すの研究は、その実現に向けてプ科学雑誌が求めるデータの質ことがわかりました。
この値は十着々と進められています。

コ ラ ム

これだ と思ったらとことんやる

かつて、ある本に成功の必須条件として「人間性」をあげました。人間性が良ければ、いろいろな出会いがあり自分を助けてくれるからです。一緒に研究している牧浦先生は、筑波大学で助教授をしていた頃の学生で、いったん企業に就職しましたが、もっと基礎に重点を置いた研究を行いた
いと、大学に移ることを決めました。
知識や考え方を学べるからと、分野に関わらず多くの学会に出入りするのも出会いを求めてのことです。学生にも「他流試合してきなさい」と勧めます。
出会いは研究の場に限ったものではありません。
「お互い何をしているかも知らない者どうしが話をするのも良いものです。
研究の日々で世間からずれてしまった感覚を修正してくれます」と息抜きで立ち寄る飲み屋での会話も大事です。
最後に「学生時代には愛車で、７年間に地球７周に迫る27万キロメートルも走りました」と話してくれた北川先生からは、 これだ と思ったらとことんやり通す人柄がにじみ出て北川宏先生（左）と牧浦先生。互いに認め合いました。
い研究を進めています。

用 語 解 説＊1●電解質陽イオンと陰イオンとに電離する物質。液体の場合を特に、電解液という。

＊２●イオン伝導性
固体または液体中でイオン化物（イオン状態の原子または分子）が移動する性質。イオン伝導度（S/cm）という値で表され、値が大きいほど高速でイオン化物が移動でき、電池などに適している。

取材・文：サイテック・コミュニケーションズ

池田亜希子

SPring-8を使った研究の受賞情報！
第７回ひょうごSPring-8賞
ひょうごSPring-8賞は、社会全体に対してSPring-8への認識と知名度を高めることを目的として兵庫県が設置した賞で、産業への応用等社会全般の発展に寄与する研究成果をあげられた方を毎年表彰しています。

受賞者：尾崎 哲也
株式会社 ジーエス･ユアサ コーポレーション
研究開発センター第二開発部リーダー
受賞内容：「ニッケル水素電池の高容量化と長寿命化」
ニッケル水素電池は、極めて大きな市場規模が期待されますが、蓄電性能が技術的に限界に達し、加えて自己放電が大きいため、さらなる技術的な性能向上が必要とされていました。

提供：兵庫県

尾崎氏はSPring-8を用い、ニッケル水素電池の劣化につながる原因を解明し、合金化や元素の置換により世界初の「ポリタイプ積層水素吸蔵合金」を開発、ニッケル水素電池に採用しました。これにより市販化されたニッケル水素電池は、従来品の蓄電性能を20％上回り、機能を改善することに成功、従来のアルカリ乾電池が使用されている機器に幅広く活用される等、大きな経済効果が期待されます。これらの点が評価され、今回の受賞となりました。
授賞式は2010年２月５日に兵庫県公館にて行われました。

（広報室）

2009年度朝日賞
朝日賞は学術、芸術などの分野で傑出した業績をあげ、わが国の文化、社会の発展、向上に多大の貢献をされた個人または団体に贈られる賞です。

受賞者：豊島 近 東京大学
分子細胞生物学研究所 教授
受賞内容：「カルシウムポンプ作動機構の解明」
カルシウムポンプとは細胞膜に埋め込まれたタンパク質で、ATP（アデノシン三燐酸）の加水分解によるエネルギーを利用し、カルシウムイオンを濃度の低い細胞外から細胞内に取り込む重要な働きをしています。筋肉の収縮は、カルシウムイオンが貯蔵庫である筋小胞体から放出されることで起こりますが、このタンパク質が放出されたイオンを筋小胞体中に汲み戻すことによって、筋肉の弛緩をもたらします。
豊島教授のグループは、困難なことで知られる膜タンパク質の結晶化に取り組み、独自の技術を開発して、2000年に最初の「カルシウムイオン結合状態」のカルシウムポンプタンパク質の構造決定に成功しました。その後もSPring-8を用いてイオン輸送の反応サイクル全体をほぼカバーする９つの中間状態の結晶構造を決定し、その作動機構を解明しました。このサイクル中での構造変化の大きさは誰も予想し得なかったものであり、多くの派生的研究を促進するなど、構造生物学に多大なインパクトを与えました。これらの業績が評価され、今回の受賞となりました。
贈呈式は2010年１月28日に東京・日比谷の帝国ホテルにて行われました。

（広報室）

市民公開講座「こんな分野もあった！あなたの知らない科学」開催「第23回日本放射光学会」の年会にあわせて、2010年１月９日姫路市民会館において、多くの方々に身近な科学に触れていただくと同時に、SPring-8施設内に現在建設中のXFEL（X線自由電子レーザー）を、一般の方々にも理解していただくことを目的とした市民公開講座「こんな分野もあった！あなたの知らない科学」を開催しました。西播磨地域を中心に兵庫県内外から合計343名の方にご参加いただきました。
講演会は、理研の辨野（べんの）義己特別招聘研究員による「見た目年齢は 腸 で決まる！〜大切な腸内環境コントロール〜」と題して、食事や運動によって若々しさや健康を保つことができるということや、腸内環境の変化は便によってセルフチェックできるというお話がありました。続いて、「X線解体新書〜レントゲンからXFELまで〜」と題して、XFEL計画合同推進本部の北村英男グループディレクターから、レントゲンによるX線の発見から、最先端のX線発生装置であるXFEL計画の概要についての講演を行いました。
講演終了後、ご参加いただいた方々より多くのご質問をいただき、多くの方が健康に関する科学やX線にご興味をお持ちのことがよくわかりました。今後も多くの方に楽しんでいただけるイベントを通して、SPring-8やXFELの研究活動等へのご理解を得られるように努めていきたいと考えています。
（理研／JASRI XFEL計画合同推進本部）

お知 ら せ 第18回SPring-8施設公開 −たんけん・発見、科学の最先端！−

SPring-8では、以下の通り「SPring-8施設公開」を実施いたします。みなさまのご来場をお待ちしております。
○日 時：2010年４月29日（木・祝日）９時30分〜16時30分（受付は15時30分まで）○場 所：SPring-8○入場料：無料（お気軽にお越しください）○内 容：施設の公開、科学実演・工作、科学講演会、見学ツアー、パネル展示など○問い合わせ先：（財）
高輝度光科学研究センター 広報室
TEL：0791-58-2785 FAX：0791-58-2786
e-mail：openhouse10@spring8.or.jp
URL：http://www.spring8.or.jp/ja/news̲publications/
events/ open̲sp810○備 考：案内チラシが完成しました！チラシ送付を希望される方は上記問い合わせ先へご連絡ください。
スケジュールやイベントなど詳細はホームページに随時掲載していきます。

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SPring-8 Newsでは「読者アンケート」を実施しています。
http://www.spring8.or.jp/ja/sp8news̲questionnaire
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以下

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