2018 Fiscal Year Annual Research Report
高速なアルカリ金属イオンホッピング伝導と高速電気化学反応を実現する電解液設計
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18H03926
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
獨古 薫 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70438117)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
都築 誠二 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (10357527)
梅林 泰宏 新潟大学, 自然科学系, 教授 (90311836)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電解質 / イオン伝導 / 電気化学 / 電池 / 計算化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
様々なリチウム塩と様々なスルホン溶媒（エチルメチルスルホンやスルホランや3-メチルスルホランなど）を混合することでリチウム塩高濃度電解液を調製し、これらの電解液における溶媒和構造やイオン輸送特性、電気化学特性を解析した。磁場勾配NMR法により電解液中の化学種の自己拡散係数を測定したところ、リチウム塩：スルホンのモル比を1：2程度（リチウム塩濃度3mol/L以上）にすると、リチウムイオンが溶媒やアニオンよりも速く拡散し、リチウムイオンのホッピング伝導機構が発現することが分かった。ラマン分光法で電解液中の溶媒和構造の解析を試みたところ、リチウム塩：スルホンのモル比が1：2程度の場合、電解液中のスルホン溶媒分子はほとんど全てがリチウムイオンに配位しており、フリーな溶媒分子はほとんど存在していないことが分かった。また、アニオンもリチウムイオンの配位に参加し、電解液中では、イオン凝集構造が形成されていることが分かった。このような高濃度電解液中では、リチウムイオンが配位子（溶媒およびアニオン）を動的に交換することでホッピング伝導機構が発現するものと考えられる。さらに、これらの電解液中でコバルト酸リチウム電極やグラファイト電極などの電気化学測定を行ったところ、これらの電極は可逆的にリチウムイオンを挿入・脱離することが確認されたことから、スルホン系溶媒を用いた高濃度電解液はリチウムイオン二次電池の電解液として適用可能であることを実証した。ナトリウム塩とスルホン系溶媒から成る高濃度電解液についても検討を進め、ナトリウムイオンのホッピング伝導に関しての研究にも着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画に従い、様々なリチウム塩と様々なスルホン系溶媒から構成される高濃度電解液における特異なイオン輸送現象や電気化学反応を解析し、着実に研究成果が出てきている。また、実験および計算化学の両面から高濃度電解液の特異性に関して解析を進めることでリチウムイオンホッピング伝導機構の詳細が明らかになりつつあり、計画通りに研究が進捗していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
スルホン類を溶媒としたリチウム系およびナトリウム系の高濃度電解液に関する研究を継続するとともに，スルホン類以外の溶媒を用いた高濃度電解液に関する研究も積極的に推進し、高濃度電解液中での特異なイオン輸送メカニズムを明らかにする。また、高濃度電解液中における溶媒の構造、アニオンの構造やルイス塩基性が、イオン-溶媒間の相互作用、カチオン-アニオン間の相互作用や液体の構造および物性に及ぼす影響を実験、計算の両面から解析を進め、高濃度電解液の学理の構築を進める。
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