ポリエチレンオキシド(PEO)系複合固体電解質は、その優れた柔軟性と電極界面との良好な適合性により、現在固体電解質分野の研究ホットスポットとなっている。しかし、無機フィラーの分散性の悪さや有機－無機界面相互作用の弱さといった重要な問題が、長時間のサイクル中にイオン輸送を阻害し、界面分極を悪化させている。これらの問題に対処するため、本研究では、酸素空孔が豊富な配向ナノファイバーを利用して連続的かつ方向性のあるイオン輸送経路を構築し、有機－無機界面相互作用を最適化する相乗制御戦略を提案し、高性能なPEO系複合固体電解質を作製した。具体的には、水平方向に配向したポリアクリロニトリル(APAN)ナノファイバーを基材とし、インサイチュ法で酸素空孔が豊富な層状二元金属水酸化物(MoNiCo-LDH)を成長させ、有序配向構造を持つAPAN/LDH複合ナノファイバーネットワークを構築した。この基材にPEOを含浸させ、有機－無機複合固体電解質(MoNiCo-LDH@APAN-PEO)を得た。この構造設計により、一方で酸素空孔はLDHとPEO間の界面相互作用を強化し、PEOの結晶度を低減させるとともに、双三フッ化メチルスルホニルイミドイオン(TFSI^-)との静電相互作用によりリチウム塩の解離を促進する。もう一方で、配向ナノファイバーの秩序ある構造がリチウムイオンに連続的で方向性のある輸送経路を提供し、リチウムデンドライトの成長を効果的に抑制する。したがって、本複合固体電解質のイオン伝導率は60 ℃で0.79 mS·cm^-1に達し、リチウムイオン移動度は0.73、電気化学ウィンドウは5.2 Vに及ぶ。対称電池は1500時間安定してサイクル可能であり、全電池の200回サイクル後の容量保持率は89%であった。本研究で提案した界面酸素空孔と方向性イオン輸送経路の相乗制御戦略は、高性能固体リチウム金属電池用ポリマー系複合電解質の設計と製造に新たな視点を提供すると期待される。

ポリマー複合固体電解質;配向ナノファイバー;酸素空孔;界面制御;リチウムイオン輸送