2021 Fiscal Year Annual Research Report
超濃厚電解液のイオン集合様態制御に基づく電池特性の分子レベルデザイン
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20H02823
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
藤井 健太 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (20432883)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片山 祐 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (70819284)
松上 優 熊本高等専門学校, リベラルアーツ系理数グループ, 准教授 (50455177)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 濃厚電解液 / Liイオン電池 / イオン溶媒和 / 電極/電解液界面 / 構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、超濃厚電解液を「金属イオン・対アニオン・溶媒分子」の３成分間の相互作用により規定できる反応場集合体としてとらえ、電解液の機能設計に関わる諸因子を分子間相互作用の理解と制御によって解明することを目的としている。本年度は、下記(1)(2)について検討を進めた。
（１）超濃厚電解液中で特有なLiイオン集合様態の構造解析： 高濃度のLi塩を溶解した有機電解液およびイオン液体電解液に対して実験（Raman/IR分光実験、放射光X線散乱実験）および計算化学的手法（DFT計算、MDシミュレーション）により研究を進め、濃厚電解液中のLiイオンの溶存状態を可視化した。Liイオン周りの個別配位数決定、イオン集合体の長距離秩序性を定量的に評価した結果、濃厚系で特有なLiイオン集合様態、すなわち、対アニオンを介して多核化したLiイオン集合体の構造は溶媒分子の電子対供与性および嵩高さ（分子サイズ）に強く依存することがわかった。また、溶媒分子の嵩高さが異なる混合系では、溶媒種の混合組成に応じてLiイオン集合体の秩序構造が大きく変化し、これがイオン伝導性や電極反応特性に影響することがわかった。
（２）電極/電解液界面における構造特性： 表面増強赤外分光測定により、電極近傍の電解液構造を分子レベルで調べた。電位加印に伴う構造変化過程をその場観察したところ、バルクで形成するLiイオンの集合構造が界面近傍でも部分的に反映されている（バルクと界面の構造連動性）ことがわかった。また、負極上に形成される不動体皮膜の形成メカニズム、これに及ぼす高濃度化の影響についても知見を得ることができた。
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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
濃厚電解液中のLiイオンの溶存構造について系統的に研究を進めた結果、Liイオン周りの個別配位数や構造秩序性に与える溶媒種や溶媒構造、塩濃度の効果についておおよその傾向を把握することができた。また、濃厚電解液の構造-物性相関、例えば、Liイオンの構造秩序性の程度とイオン伝導度の間に相関があることが明らかとなり、電池特性を制御する上での指標となることがわかってきた。さらに、バルク構造と電極界面の連動性についても知見が得られてきており、次年度以降、更なる展開が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
電極/電解液界面のイオン構造を制御し、電池特性改善につなげるためには、界面における電荷移動反応メカニズムを調べる必要がある。特に、濃厚電解液系で高速充放電を可能とするためには電極反応の活性化エネルギーを決定し、これを低減するための取り組みが必須である。これまでの研究で明らかにしてきたLiイオンの集合様態と活性化エネルギーの関係を調べ、これをコントロールするための方法論を構築していく。
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