KAIST（韓国科学技術院）は7日、低コスト原料を用いた全固体電池向け固体電解質の設計手法を開発したと発表した。安価なジルコニウム系ハライド固体電解質に酸素や硫黄などの二価陰イオンを導入して内部構造を調整し、リチウムイオン伝導性能を従来比で2〜4倍に高めた。常温でのイオン伝導度は1mS/cmを上回り、実用化を視野に入れた性能を示したという。

研究を主導したのは、KAIST新素材工学科のソ・ドンファ教授のチーム。全固体電池は液体電解質の代わりに固体電解質を用いるため、火災や爆発のリスクを抑えやすい。一方で、固体中でリチウムイオンを高速に移動させるには、高価な金属材料や複雑な製造工程が必要になることが課題とされてきた。

今回、研究チームが着目したのは、酸素（O2-）や硫黄（S2-）といった二価陰イオンだ。これらの陰イオンは電解質の結晶骨格に作用し、内部構造を変化させる。チームは、安価なジルコニウムベースのハライド系固体電解質に二価陰イオンを導入して構造を最適化する技術を開発した。

研究チームはこの設計原理を「フレームワーク調整メカニズム」と説明する。電解質内部でリチウムイオンが通る経路を広げることで、イオン移動時の障壁を下げる仕組みだという。

解析には、超高分解能X線散乱、ペア分布関数（PDF）解析、X線吸収分光（XAS）、電子構造と拡散挙動を調べるDFT計算などを用いた。その結果、酸素または硫黄を導入した電解質では、既存のジルコニウム系電解質に比べてリチウムイオン伝導性能が2〜4倍以上向上した。低コスト材料でありながら、実用電池への適用が可能な水準に達したとしている。

常温でのイオン伝導度は、酸素（O2-）を導入した電解質で約1.78mS/cm、硫黄（S2-）を導入した電解質で約1.01mS/cmだった。イオン伝導度は、電解質中をリチウムイオンがどの程度速く移動できるかを示す指標で、値が高いほど電池性能の向上が期待できる。研究チームによると、1mS/cm以上であれば常温動作の実用電池に適用できる水準とみられるという。

ソ・ドンファ教授は「今回の研究は、安価な原料でも全固体電池のコストと性能の課題を同時に改善できる設計原理を示した。産業活用の可能性は非常に大きい」とコメントした。筆頭著者のキム・ジェスン研究員は、全固体電池材料の開発において「どの材料を使うか」を超え、「どう設計するか」という方向性を示した研究だと述べた。

KAISTは、今回の手法がより幅広い全固体電解質の組成系にも応用でき、産業利用の裾野を広げる可能性があるとしている。

この研究には、KAISTのキム・ジェスン研究員と東国大学のハン・ダスル研究員が共同筆頭著者として参加した。ソウル大学のチョン・ソンギュン教授、延世大学のチョン・ユンソク教授、東国大学のナム・ギョンワン教授の各研究チームとの共同研究で、成果は国際学術誌「Nature Communications」に2025年11月27日付で掲載された。研究はSamsung Electronics未来技術育成センター、韓国研究財団、国家スーパーコンピューティングセンターの支援を受けて進められた。