2020 Fiscal Year Annual Research Report
イオン伝導相関の制御によるLiイオン輸率を１とする電解液の創出
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20H02837
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
上野 和英 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30637377)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | Liイオン輸率 / 濃厚電解液 / イオン伝導率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は次世代高容量・高出力Li系二次電池の実現へ向け、高イオン伝導性と高Li輸率を両立する低分子液体電解質材料のための新しい指標を提示することである。方法論として、材料化学的な見地から行われてきた従来の電解質設計にOnsager相反定理および線形応用理論による普遍的なイオン伝導の考え方を取り入れる。すなわち、超濃厚電解液を主な検討対象として、これまで考慮されてこなかったイオン伝導のOnsager係数および相互相関項を実験的に決定し、分子レベルの情報との相関性を明らかにすることで、高いイオン伝導性と高いLi輸率を発現する分子論的条件を解明する。本年度はグライム系濃厚電解液に着目し、Li輸率と溶媒-Liイオン間およびアニオン-Liイオン間の相互作用の関係性を検討した。テトラグライムなどの多座配位子溶媒はキレート効果により、強くLiイオンに配位する。この場合、電気化学的に測定したLi輸率が著しく小さくなることを明らかにした。Onsager係数を調べたところ、全ての相関項が負となり、特にカチオン間の相互相関が負であることが、著しく低いLi輸率の原因であることを明らかにした。一方、モノグライムなどの鎖長の短い溶媒を用いると、同程度のLi塩濃度でも高いLi輸率を示し、カチオン間の負の相互相関が小さいことが分かった。アニオン-Liイオン間相互作用に関して、会合性の高いLi塩を用いた場合、Li輸率が低分子系電解液でありながら0.9以上になることを見出した。カチオン-アニオン間のOnsager係数はアニオンの会合性が高くなるほど大きくなり、これに伴いLi輸率が増加した。すなわち、電気化学的に求められるLi輸率は溶媒、Li塩種によって著しく変化することが分かった。一方、グライム系濃厚電解液ではイオン伝導率とLi輸率の関係は概ねトレードオフの関係にあることが分かった。
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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
Li輸率と電解質構造の関係性について系統的に調査した結果、どのような溶媒、Li塩を用いれば高いLi輸率が得られるか傾向を掴むことができた。しかしながら、特にグライム系濃厚電解液では、イオン伝導率とLi輸率の間にトレードオフの関係があることも分かってきた。一方、スルホラン系濃厚電解液では、濃厚電解液でありながら、カチオン間の負の相互相関が著しく小さく、これが高いLi輸率に繋がっていることが分かった。更に、スルホラン系濃厚電解液は、著しく粘性が高いものの、イオン伝導率は粘性から予想されるよりも比較的高く、Li輸率も高い。スルホラン系濃厚電解液のような系で、粘性率増加を抑えた電解液が優れたイオン伝導性と高いLi輸率を両立できる可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
高いイオン伝導率と高いLi輸率を両立するためには、高いLi輸率を保ちながら、系の粘性率を下げ、イオン伝導性を増加させることが必要である。今後は、濃厚電解液に希釈溶媒を添加する試みや単座配位子からなる濃厚電解液を用いることで電解質自身の粘性率を低下させ、イオン伝導性を増加させる必要がある。イオン伝導率とLi輸率に対する希釈溶媒の添加効果を今年度の方法と同様の方法で検討的に調査する。
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