京都大學復合原子力科學研究所的森一廣副教授、京都大學產官學合作本部的福永俊晴特任教授（京都大學名譽教授）和藤崎布美佳特定助教、京都大學工學研究科的安部武志教授，以及兵庫縣立大學的嶺重溫副教授等人，與日本高能加速器研究機構物質結構科學研究所和綜合科學研究機構組成的聯合研究團隊，在原子水平上查清了氟化物離子導電固態電解質Ba0.6La0.4F2.4的離子傳導機制。
具有螢石結構的氟化鋇（BaF2）有望在對電池性能非常重要的高電壓下使用，但其離子傳導率比較低。科學家們研究發現，用鑭（La）更換部分鋇（Ba）能大幅提高離子傳導率，但一直不清楚其中的氟化物離子（F-）的分佈及其傳導機制。
此次研究利用了最先進的中子繞射裝置，精確地確定了Ba0.6La0.4F2.4固態電解質的原子位置和核密度分布（散射長度密度分布）。由此成功實施了氟化物離子傳導路徑的視覺化，發現F-是透過基於準間隙擴散的擴散機制在傳導路徑内行程的。
在新型蓄電池（後鋰離子電池）的剝削競爭方面，固體氟化物穿梭電池（Shuttle Battery）使用的氟化物離子導電固態電解質在今後的蓄電池開發中將成爲重要的關鍵材料。
隨着此次研究查清離子傳導機制，今後將能進一步加深對氟化物離子傳導體中的離子流動的理解。另外，這項研究成果還有望爲創新型蓄電池（後鋰離子電池）的最有力候選之一——氟化物穿梭電池的材料開發做出重要貢獻。
此次研究爲合成Ba0.6La0.4F2.4固態電解質，採用了可在常溫常壓下進行合成的機械球磨機法。此外，爲實施中子繞射實驗，利用了高強度質子加速器設施——物質生命科學實驗設施（J-PARC MLF）的特殊環境中子繞射儀SPICA（圖1）。
圖1：特殊環境中子繞射裝置SPICA（資料提供：J-PARC中心公關部）。
透過用三價La3+更換部分二價Ba2+（40％），F-的量將比BaF2增加20％（剩餘F-）。同時還可以看出，電導率（或者離子傳導率）急劇升高4~5位數左右（圖2）。透過用SPICA進行中子繞射實驗，可以獲得圖3所示的晶體原子面間距的峰值圖案，即中子繞射資料。利用該資料實施Rietveld解析，獲得了圖4所示的Ba0.6La0.4F2.4固態電解質的晶體結構（512K）。
圖2：Ba0.6La0.4F2.4及BaF2的電導率溫度變化。
圖3：Ba0.6La0.4F2.4固態電解質的晶體結構解析結果（512K）。
科學家們由此應答，剩餘F-保持螢石結構，並位於間隙位點（F2），而且面向規則的氟位點（F1）廣泛分佈。另外還發現，F1位點部分發生氟缺損。此外，研究團隊透過用最大熵法計算核密度分布（散射長度密度分布），成功實施了連接「-F1-F2-F2-F1-」的氟化物離子傳導路徑的視覺化（圖4）。這表明，如圖5所示，F-是透過基於準間隙擴散（F2位點的F-擠壓F1位點的F-，F-像汽車連續追撞一樣行程）的擴散機制在傳導路徑内行程的。
圖4：512K的Ba0.6La0.4F2.4固態電解質（M=Ba0.6La0.4）的晶體結構（左）和核密度分布（右）。紅線是連接「-F1-F2-F2-F1-」的氟化物離子傳導路徑。F1對應規則的氟位點，F2對應間隙位點。
圖5：Ba0.6La0.4F2.4固態電解質的氟化物離子傳導路徑與離子流動示意圖。
連接3個M（= Ba0.6La0.4）原子的綠色虛線面（三角形）橫穿過的離子傳導路徑内的截面附近，對應F-離子傳導路徑上能障最高的區域（瓶頸）。
題目：Experimental visualization of interstitialcy diffusion pathways in fast-fluoride-ion-conducting solid electrolyte Ba0.6La0.4F2.4
期刊：《ACS Applied Energy Materials》
DOI ：10.1021/acsaem.9b02494
日語發表原文
文：JST客觀日本編輯部
