2022 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

Research Project

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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	陳致堯国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 産総研特別研究員 (20773435) [Withdrawn] 松本一彦京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (30574016)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 – 2024-03-31
Keywords	電解質 / 金属イオン電池 / イオン液体 / 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。溶媒は単体ではイオン電導性のない電解質室塩をイオン乖離させて電解質として機能させ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付与されてしまう。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。電解質塩のみで構成された電解質は、溶媒を含まないために電池内で電極間移動イオンの濃度が偏ることがない。そのため、電極間移動イオンの欠乏による通電可能電流の限界がない。また、金属負極を用いる場合には電極近傍の電極間移動イオンの欠乏が起きないためにデンドライト発生の抑制が期待できる。電解質塩のみで構成された電解質の開発課題として、電解質塩単体で液体になるものが気象であることがあげられる。そこで本申請者らは電解質塩同士を混合することで融点を下げ、電池の実用的に可能な温度域で溶媒なしで液体となる電解質塩を開発した。これは前述した電解質塩のみのメリットに加え、イオン液体の普遍的特性である難燃性と低揮発性も兼ね備えるために安全性の向上も期待できる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 昨年度までは、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の特性を調べ、さらに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。また、溶媒混合の電解質に比べ、大電流を通電可能であることを確認した。本年度では、試作されたカリウムイオン電池用正極活物質について熱分析を行った。本研究の電解質の作動温度域に必要な耐熱性を有していることを確認済みである。
Strategy for Future Research Activity	今後はこれら耐熱性の確認できた正極活物質を用いて正極シートを作成し、本研究の電解質と組み合わせ、電池作動試験を行う予定である。作動を確認し、現存の電解質よりも正極の性能を引き出せることがもし確認できれば本研究の電解質の優れた特性として報告する。順当に作動することが確認できれば、炭素負極と組み合わせてフルセルを作成し、電池試験を行う。
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。また、2021年度～2022年度は本研究代表者の研究場所移転があり、一時的に研究を停止していた期間があった。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。