2021 Fiscal Year Annual Research Report
高濃度電解液中のリチウムイオンホッピング伝導機構の解明と次世代蓄電池への展開
| Project/Area Number |
20J20165
|
|---|
| Research Institution | Yokohama National University |
|---|
Principal Investigator |
宇賀田 洋介 横浜国立大学, 理工学府, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
|
| Keywords | 電気化学 / リチウム系二次電池 / イオン伝導 / 有機電解液 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの検討から、スルホンを溶媒とした高濃度Li塩電解液中において、Liイオンの拡散が溶媒やアニオンよりも速くなるLiイオンのホッピング伝導機構が発現することが明かになっている。本年度は、スルホン系高濃度Li塩電解液中の溶媒分子やアニオンの回転運動がLiイオンのホッピング伝導に与える影響について検討した。LiBF4をスルホランに溶解させた電解液では、3 mol dm-3以上のLi塩濃度においてLiイオンが最も速く拡散するホッピング伝導機構が発現し、Liイオンの拡散の活性化エネルギーは溶媒やアニオンよりも小さくなることがわかった。LiBF4/スルホラン電解液中の各化学種のNMRスピン格子緩和時間測定による配位子(溶媒やアニオン)の回転相関時間の定量解析から、高濃度電解液中ではLiイオン周りの配位子の速い回転運動によってLiイオンの配位子交換が促進され、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示唆された。一方、3-メチルスルホランを溶媒とした高濃度Li塩電解液中では、溶媒分子のメチル基の立体障害によって溶媒の回転運動が遅くなり、これによりスルホラン系に比べてLiイオンの配位子交換が起こりづらくなることが分かった。また、高濃度電解液中におけるLiイオンの電気化学インターカレーション反応についても検討を行い、種々のLi塩の中でもLiN(SO2F)2を用いた高濃度電解液において電極反応速度が著しく小さくなることが明らかになった。
|
| 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、種々の高濃度Li塩電解液のイオン伝導メカニズムに関する詳細な検討を行ない、着実に研究成果が出てきている。これまで様々なLi塩と溶媒の組み合わせからなる高濃度Li塩電解液の輸送特性を系統的に調査した結果、Liイオンのホッピング伝導の発現に重要な溶液構造や溶媒やアニオンの分子構造が明らかになり、Liイオンのホッピング伝導の更なる高速化に向けた電解液設計指針が見えつつある。また、高濃度電解液の詳細なイオンダイナミクスに関する検討から、配位子の回転運動も高濃度電解液中におけるLiイオンの伝導メカニズムに大きな影響を及ぼすことが明らかになってきた。以上の進捗及び成果から、本研究が順調に進展していると判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後は、これまでの高濃度電解液中における特異なLiイオンのホッピング伝導に関する知見に基づいて、更なるLiイオンホッピングの高速化を目指した電解液設計を検討していく。具体的には、複数の溶媒を混合させた混合溶媒(もしくは混合Li塩)の使用により、電解液中のLiイオンの配位環境の不安定化とホッピングの促進を試みる。また、次年度からは新たに機械学習を用い、これまで蓄積してきた実験データから高濃度電解液中におけるLiイオン伝導の支配因子を特定し、高速なLiイオンホッピングを実現する新規電解液の開発を加速させる。さらに、高濃度電解液の諸物性が電極/電解液界面における電荷移動反応速度に及ぼす影響についても詳細な検討を行なう。
|
