2022 Fiscal Year Annual Research Report

New theory of electrode potential shift for innovative rechargeable batteries

Research Project

Project/Area Number	21H02039
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	山田裕貴大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30598488)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	リチウムイオン電池 / 電極電位 / 電解液 / 電気化学
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、リチウムイオン電池の次世代電極（高電位正極・高容量負極）で問題となっている電解液の不要な酸化・還元分解を抑制する熱力学的新戦略を確立することを目的とする。具体的には、電極電位の自在制御が可能な電解液設計指針を確立するとともに、電極電位に着目した電解液設計により上記次世代電極の電位を電解液の電位窓内におさめることで、電解液の酸化・還元分解を抑制する。今年度は、高容量負極の高効率作動に向け、電極電位の更なる上昇を目指した検討を行った。具体的には、カチオンとアニオンのみからなり、中性溶媒分子を含まないイオン液体に着目した。イオン液体にリチウム塩を溶解した電解液を用いることで、電極電位が高くなる傾向にあることが分かった。この値は、従来の有機電解液で高濃度化や無極性溶媒の添加などの特殊な操作を行った場合と同等であった。これは、イオン液体中においてリチウムイオンの化学ポテンシャルが高いということを意味する。この結果に基づき、リチウムイオンと対アニオンの相互作用に加えて、リチウムイオン-有機カチオン間の斥力も考慮に入れた化学ポテンシャルおよび電極電位の決定要因について理論的考察を行った。本研究により、電解液中のリチウムイオンの配位環境に着目することで、リチウムイオンの化学ポテンシャル、ひいては電極電位を自在に制御可能になることが明らかとなった。従来、電極表面に形成される不働態被膜（solid electrolyte interphase, SEI)に着目した電解液設計がなされ、被膜による速度論的な電解液分解抑制効果が高容量負極の高効率作動に向けた主たる戦略とされてきた。本研究で提案した電極電位の自在制御は、速度論的戦略にかわる新たな熱力学的戦略であり、高性能リチウムイオン電池および次世代二次電池の開発に向けた重要な学術的基盤となる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究室の実験環境整備が整い、昨年度遅れていた部分についても実験および考察を予定通りに進めることができた。今年度予定されていた内容についても概ね実施済みであり、研究は順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	電極電位のダウンシフトの手法について系統的に検討するとともに、これまで開発した電極電位制御の手法によって、次世代電極の高効率作動を実証する方針である。