北海道大學研究生院工學研究院的三浦章教授、藤井雄太助教、忠永清治教授，密歇根大學材料科學工學科的Baek Woohyeon博士生、Sun Wenhao助教，大阪公立大學研究生院工學研究科的森茂生教授、作田敦副教授、丁炯特任研究員，大阪公立大學研究生院工學研究科與日本東北大學金屬材料研究所的林晃敏教授，東京都立大學理學研究科的水口佳一教授，廣島大學研究生院先進理工系科學研究科的森吉千佳子教授，高亮度光科學研究中心的河口彰吾主幹研究員等人組成的研究團隊，以下一代全固態電池固態電解質材料Li₃PS₄為對象，解開了可透過快速升溫工藝合成鋰離子傳導率最高的高溫相（α-Li₃PS₄）之謎。相關成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1．Li₃PS₄多晶型的計算烏爾夫構型（Wulff構型）及不同尺寸下的多晶型穩定性變化（圖片提供：北海道大學）
全固態電池要實現實用化，開發高鋰離子傳導性能的固態電解質成為當務之急。硫化物固態電解質Li₃PS₄即使組成相同，也存在三種晶體結構不同的多晶型，其中高溫相α相具備優異的離子傳導率。然而，α相的塊體（常規晶體）僅在480℃以上才具備熱力學穩定性，冷卻至室溫時通常會轉變為室溫穩定相（γ相）。
近年來發現，透過將非晶前驅體在相對低溫（300～350℃）下急速加熱（如400℃／分鐘等），然後急冷，即可在室溫下將α相作為亞穩狀態保持。另一方面，緩慢加熱則會生成中溫相β相。「為何本應僅在高溫下穩定的α相能夠在低溫區域合成，並且能將這種亞穩狀態保留至室溫？」學界一直期待對這一悖論做出合理解釋。
研究團隊結合計算科學與前沿實驗，從熱力學與動力學兩個角度揭示了這一悖論。
透過第一性原理計算各相表面能的結果表明，α相與其他β相、γ相相比表面能最低（α為0.43J／平方公尺，β為0.50J／平方公尺，γ為0.58J／平方公尺），在奈米粒子中熱力學上最穩定，且從非晶態開始的成核能垒在所有溫度範圍內最低。
研究人員在SPring-8同步輻射設施開展時間解析度高達0.5秒的原位X射線繞射測試，成功捕捉到非晶前驅體快速升溫時，動力學上更易形成的α相瞬時成核的過程。
短時間保持（約10秒）後急冷，由於晶體來不及生長，能夠以奈米尺寸的α相狀態凍結至室溫。反之，等溫長時間保持時，晶體持續生長，會轉變為該溫度下穩定的大尺寸β相，這一過程得到了實證。
綜合上述成果，研究團隊建構了以粒子尺寸（時間）和溫度為軸的綜合性「時間-溫度-轉變圖（TTT圖）」。TTT圖在金屬工程與玻璃領域應用已久，但絕大多數是加熱完成後再進行分析繪製。在功能性陶瓷領域，融合計算熱力學與前沿高時間解析度測試來建構TTT圖具有開創性意義。
研究團隊所確立的「理論計算（尺寸、溫度相關穩定性）與前沿高時間解析度測試（成核與動力學）的綜合研究方法」，不僅限於全固態電池材料，還將成為探索既往方法難以合成的新型亞穩態功能材料（玻璃陶瓷、下一代電子器件等）及最優合成工藝設計的強有力且通用的基礎技術。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST 客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Time-Temperature-Transformation Diagrams to Navigate the Nucleation and Quenchability of Metastable α-Li₃PS₄
DOI：10.1038/s41467-026-76661-7
