「構造多様性に富み、動的機能も有する」という分子が持つ特徴を活かすことにより、革新的二次電池あるいは燃料電池の実現に貢献する電池材料を生み出すことが私達の目標です。分子を用いてセラミック電解質に見られるようなイオン伝導パスを構築できれば、全く新しい様式の固体電解質材料が得られるであろうという発想のもと、小分子の自己集積化と規則的配列とキーワードに新規分子結晶・有機イオン柔粘性結晶の合成とイオン伝導体への展開を検討しています。目指すところは、「ありふれた元素でできた分子」を組み合わせて並べることで「目的とするイオンを高速かつ選択的に拡散させられる電解質材料」を作り出すことです。
無機結晶材料であるセラミック電解質では、結晶構造中にイオン伝導パスが構築されることにより固体中での高速イオン拡散が果たされています。分子の自己集積化と規則的配列を利用することによってセラミック電解質に見られる高次構造を形成できれば、分子からなる結晶（分子結晶）でも目的とするイオンを高速かつ選択的に拡散させられるはずです。このような考えに基づき、下に示す方針に沿ってイオン伝導パスを持つ分子結晶の合成を進めています。
これまで、多点的な配位能を持ち、高い解離度を示す対アニオン（例えばN(SO2CF3)2- ）を持つリチウム塩を出発原料として、結晶構造中にイオン伝導パスを持つ種々の分子結晶を合成してきました。その際、反応に用いる小分子の構造や反応比を適切に選択することにより、伝導パスの構造を系統的に変化させることに成功しています。
また、得られた分子結晶について、X線構造解析を行うことによりイオン伝導パスの構造を分子レベルで明らかにしています。下の図は、[Li(TFSA){C6H4(OCH3)2}]のパッキング図（結晶中での分子配列を示す図）です。この図中で、リチウムイオンは黄色の球として表されています。画面の奥の方に向かってリチウムイオンが規則的に配列し、イオン伝導パスに相当する構造が形成されていることが理解できます。
このようにして得られた試料について固体状態で種々の電気化学測定も行うことにより、リチウムイオンがほぼ選択的に結晶中を拡散していることも確認しています。さらに、この結晶構造解析と電気化学測定の結果を組み合わせることにより、伝導パスの構造とリチウムイオン伝導性との関係性についても知見を蓄積しています。
上述の結果は、「超分子の階層的な構造を利用した分子イオニクスの開拓」として位置づけられるとともに、「分子結晶ではイオン伝導は起こらない」という従来からの固定観念を覆すものです。そのため、従来の固体電解質とは一線を画す電解質材料の開発に向け、新たな設計指針を与えるコンセプトとして注目を集めています。
柔粘性結晶とは結晶と液体の中間相の一つであり、構成要素が位置秩序を保ちながら配向秩序を失った状態を指します。ちなみに、液晶も結晶と液体の中間相ですが、構成要素の位置秩序と配向秩序の関係性が柔粘性結晶とは対を成す形（液晶：配向秩序を保ちながら、位置秩序は失っている）となっています。構成要素が有機イオン種（分子性のイオン）からなる柔粘性結晶は、特に有機イオン柔粘性結晶と呼ばれています。
有機イオン柔粘性結晶は、構成要素である有機イオンが「結晶のように規則的に配列」したまま「回転運動に代表される動的挙動」を示している状態とあらわすことができます（例えるなら、大勢の人が（構成要素）が整列しながらラジオ体操（動的挙動）をしている様子）。この「規則的な配列」と「動的挙動」をイオンの駆動力とすることにより、固体電解質としての機能を発現させることが可能です。また、一般に有機イオン柔粘性結晶は、難燃性や不揮発性、広い電位窓を持ち、伝導種となる金属塩を高濃度で溶解させることが可能といった特徴を持つことからも、固体電解質の新しい母材として期待されています。
私たちは、構成要素として用いる有機イオン種の電子的特長と立体的特長を整理しながら分子設計を行うことにより、－30 ℃ から270℃という非常に広範な温度域で柔粘性結晶として振舞う試料を得ることに成功しています。このように幅広い温度域で利用可能な有機イオン柔粘性結晶の開発例はきわめて稀です。この結果を基礎に、有機イオン種の構成要素が持つの立体的・電子的特長が物性に与える影響ついて精査し、より特性に優れる有機イオン柔粘性結晶の開発に取り組むとともに、二次電池･燃料電池用固体電解質としての展開を進めています。
