2021 Fiscal Year Research-status Report
電解質塩のみで構成された金属カチオン電池用電解質の開発
| Project/Area Number |
20K05144
|
|---|
| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
|---|
Principal Investigator |
窪田 啓吾 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40586559)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
陳 致堯 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 産総研特別研究員 (20773435) [Withdrawn]
松本 一彦 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (30574016)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 二次電池 / イオン液体 / 溶融塩 / カリウムイオン電池 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
溶媒を用いず、電解質塩のみで構成される電解質の開発は、これまで電解質には溶媒が不可欠であるという暗黙の前提を覆すものである。溶媒は室温での液体化など電解質の利便性を上げるために必須であるが、同時に有機溶媒の可燃性など溶媒由来のデメリットも電解質に添加してしまう。
本研究において、最初の対象となる金属カチオン電池にはカリウムイオン電池を選択した。カリウムイオン電池はカリウムの豊富な資源量と、リチウムイオン電池よりも高い電圧からポストリチウムイオン電池として期待されている。また、リチウム化合物に比べてカリウム化合物は耐熱性・耐加水分解性が高いものが多く、多くの電解質候補となる化合物を用いて電解質の研究を行うことができる。この電池の場合、電極間移動イオンはカリウムカチオンであり、電解質塩はカリウム化合物を示す。
昨年度は、様々なカリウム化合物の物性測定により電池電解質として適したものをスクリーニングし、その中で最も優れた電解質を炭素負極と本研究の電解質を組みあわせて電池試験を行った。結果として、炭素負極の理論容量にほぼ近い値で繰り返し充放電が可能であった。これにより、溶媒がなくとも既存の電解質と同様に機能することを明らかにした。
本年度は、昨年度の電解質の比較例として他のカチオンの塩を添加したものに対して同様の炭素負極作動試験を行い、良好に作動することを明らかにした。一方で、物性において他のカチオンが混入されたことにより電極間移動イオンであるカリウムカチオンの体積あたりの濃度が低下し、電池としての充放電時におけるカリウムカチオンの欠乏、およびデンドライト析出の可能性が高まることが示唆された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究における最大の課題は、電解質塩であるカリウム塩の大半が200℃以上に融点を持つために、溶媒を用いず単体で液体電解質とするためには過熱が必要で電池を作動させる実用的な温度(100℃以下)で使用できないことである。100℃以下でこれらを液体電解質とするため、本申請者らはカリウム化合物の中で融点100℃付近ととくに低いペルフルオロスルフォニルアミド系アニオンの化合物に着目し、これらを混合することで溶媒を用いずに融点低下させることを試みた。このような電解質塩のみで構成された金属カチオン電池用電解液は他所では研究されていない本研究初出のものであり、研究の新規性を十分に満たすものである。
本年度はこのカリウム溶融塩に他のアルカリ金属イオンを添加し、さらに融点を低下させた電解質を開発した。添加物をカリウム塩に限定せず他のアルカリ金属塩まで候補範囲を広げることで上記の通り本研究の課題である電解質の構成については支障なく進み、融点の低下によって作動温度条件を昨年度の80℃から70℃まで緩和することができた。この電解質はカリウムカチオンよりも表面電化密度の低い他のカチオンを添加したことによりアニオンとの相互作用が低下し、それによって粘度・導電率なども改善されている。炭素負極に対しても添加物による悪影響は見られず、良好に作動している。一方で本研究のオリジナリティとして電解質塩のみで構成される電解質の特色である電極間移動イオンの濃度の高さや高速充放電への追従性が損なわれる。従って電池の実用性にを検討する際にはバランスをとる必要がある。上記の成果について、2021年度に論文1報を発表することができた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
電池電解質として本研究の電解質をより実用に近づけるためには、さらなる低融点化により室温使用を可能にするのが第一の目標である。特にカリウムイオン電池における研究は、カリウム金属の融点である64℃以下で研究を行うことができればより一層の発展が期待でき、実用においてもカリウム金属を負極としたカリウム金属二次電池を構築できる可能性が生じる。今年度の成果により、他のアルカリ金属塩の添加は融点低下・輸送特性の改善など電解質の基本性能を高める一方で、デメリットとして本研究のオリジナリティである電極間移動イオンのカリウムカチオンの濃度低下を引き起こすことが分かったため、あくまでカリウム塩の中でより低融点の化合物の探索、およびそれらの組み合わせによる混合塩の熱物性測定により電解質の低融点化の実現を目指す。
金属カチオン電池の研究としては、カリウムイオン電池としてすでに炭素負極との組み合わせで良好な結果が得られている。今後はカリウムイオン電池用正極とも組み合わせたハーフセル、およびその正極-炭素負極からなるフルセルを構築し、より実用に近い実験を行う予定である。一方でさらなる電解質の改良により融点をカリウム金属の融点(64℃)以下まで下げられた場合は、負極をカリウム金属とするカリウム金属二次電池を構築できる可能性がある。本電池は炭素負極よりも容量密度・高速充放電追従性が極めて高い一方、カリウム金属の発火の危険性を持つ。本研究の電解質はイオン液体であるため発火の危険性を抑制しつつ、上述した特有の電極間移動イオンの濃度の高さから高速充放電にも対応可能であるため、本電池の可能性を追うことも検討している。
|
| Causes of Carryover |
コロナウイルスによる研究活動・出張などの自粛により余剰金額が予定より多く発生した。余剰額分は次年度においては新規電解質材料となる試薬・実験器具の購入に充てる予定である。
|
Research Products
(1 results)
