2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of solvate-melt electrolytes for high-voltage batteries
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17J10359
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
Ko Seongjae 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 高濃度電解液 / 常温溶融溶媒和物 / 5V / 高電圧 / リチウム二次イオン電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二次電池の高エネルギー密度化・高電圧化のため、高い反応電位を有する正極材料の採用が求められている。しかし、既存の正極（リチウム基準4 V）を超える5 V級の材料を使用すると、電解液、バインダー、炭素導電材、セパレータなどの部材が強い酸化雰囲気に晒され、また正極材料からの遷移金属の溶出も起こるため、安定的な充放電反応を起こすことができなかった。本研究では、5 V級リチウムイオン電池に向けた新規高安定電解液及び関連部材の開発を目的とした。
新規高安定電解液として、常温溶融溶媒和物に着目した。高い酸化安定性を有するリチウム塩と溶媒を選択し、高塩濃度となるように（溶媒/塩モル比<2）混合することで溶融溶媒和物電解液を得た。得られた電解液の酸化分解電位を電気化学的手法により調べた結果、高塩濃度化することにより酸化分解電位が上昇する傾向が認められた。特に最も高濃度の溶融溶媒和物電解液は、リチウム基準5 V以上の電位でも安定であることが分かった。次に、溶融溶媒和物電解液のラマン分光測定を行った結果、全ての溶媒分子がリチウムイオンに配位した状態となっており未配位の溶媒分子が存在しないことが確認された。強いルイス酸であるリチウムイオンに配位し部分的に電子供与することで、最高被占軌道準位が低下し、酸化電位が上昇したと推察した。
次に、電解液以外の電池構成材料の検討を行った 。高電圧下では電解液の酸化によって微量のフッ化水素が発生し、正極の劣化を引き起こすことが知られている。HFの影響を最小化するため、HF scavenger機能を有するセパレータに新たに着目した。また、高電位における炭素導電材の酸化挙動を調べた結果、電解液の酸化分解と黒鉛状層間へのリチウム塩アニオンの挿入が劣化の原因であることが分かった。以上より、比表面積と黒鉛化度が炭素材料選択における重要因子であることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
商用電解液を適用した際の課題を抽出し、目標とすべき電解液性能・性質を適切に設定することで、商用電解液を大きく超える新規電解液の開発に至ることが可能であった。加えて、新規電解液の基礎物性や局所配位構造を調べることで、新たな電気化学安定化機構やイオン輸送機構が把握でき、高電圧用電解液の設計の基本方向を定めることが可能であった。電解液だけでなく、各種電池部材の改善も必要であると考え、高電圧リチウムイオン電池の安定充放電に向けた多角的な検討を行った結果、5 V級リチウムイオン電池の安定充放電反応が初めて達成できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
新規正極材料の探索を行う。5Vより高い平均充放電電位を有する正極材料を開発し、常温だけではなく、50℃を超える高温においても安定的駆動を目指す。
新規電解液の局所配位構造と導電材のアニオン挿入との相関関係を明確にする。高電圧においての電極劣化原因として新たに導出されたアニオン挿入反応と電解液の溶液構造との関係を調べることで電極劣化を抑えるデザインを見出す。
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Research Products
(2 results)
