2024 Fiscal Year Research-status Report
ソフトマター電解質が可能にする新しいエネルギー貯蔵・変換系の構築
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23KK0102
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
渡邉 正義 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 名誉教授 (60158657)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 慎司 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (20984058)
上野 和英 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (30637377)
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| Project Period (FY) |
2023-09-08 – 2026-03-31
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| Keywords | ソフトマター電解質 / エネルギー貯蔵 / 蓄電池 / イオン液体 / ポリマー電解質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気自動車の普及拡大や再生可能エネルギーの有効活用に向け、エネルギーの高効率な生成・貯蔵・利用が不可欠であり、これを支える学問領域であるイオニクスの重要性が一層高まっている。本研究では、従来の水系および有機系電解液が抱える電気化学的安定性や安全性、環境負荷といった課題を克服しうる新たな材料群として、ポリマー電解質、イオン液体、濃厚電解液を含む「ソフトマター電解質」に着目し、その材料設計と機能解明に取り組んでいる。
本年度は、高分子に高濃度のリチウム塩を相溶させたpolymer-in-salt電解質において高い分子デザイン性を有するイオン液体型高分子とアニオン種の化学構造を系統的に変化させることにより、イオン配位構造・相互作用とイオン輸送特性の相関性を明らかにすることを目的とした。更に、polymer-in-salt電解質に特有の高粘着性や低界面抵抗といった特性を活かし、バインダーフリー電極や高担持量電極を用いた実セル評価を実施し、実用レベルでの有効性を評価した。
また、次世代二次電池の安定作動に向けて、電極/電解質界面に形成される不動態被膜(SEI: Solid Electrolyte Interphase)も重要な役割を果たすが、多成分の分解生成物が無秩序に混在して構造が複雑となり、その構造と物性の本質的理解は大きく遅れている。本年度では、イオン液体を構成するイミダゾリウムカチオンのアルキル鎖長と末端修飾種の違いを利用した還元分解電位と分解生成物の制御を検討した。更に、複数種のイオン液体を含む電解液中で、狙った分解電位で高選択的に特定の分解生成物を形成させる能動的なSEI設計手法を評価した。
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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
海外研究グループと共同し、各種polymer-in-salt型、poly(ionic liquid)-in-salt型電解質を調製し、イオン配位構造・相互作用とイオン輸送特性との相関性を検討した。分子動力学(MD)シミュレーションにより、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウム）カチオンを基準に、一方のメチル鎖を鎖長の異なるアルキル鎖またはエーテル鎖へと変更する事で、高分子構造の変化が、イオン配位挙動および輸送特性に及ぼす影響を詳細に解析した。その結果、いずれの系においても高リチウム塩濃度域では、アニオンがリチウムイオン及びポリカチオンに双方に配位する共配位構造の形成が確認された一方で、リチウムイオンの拡散性には差が見られたことから、高分子－アニオン間の相互作用や高分子鎖の運動性が、リチウムイオン輸送に大きく影響することが示唆された。これらの知見を基に、高イオン伝導性を発現する高分子材料を実際に合成し、polymer-in-salt系におけるイオン伝導性の評価を進めている。また、アニオン種の違いが配位構造に与える影響についてもMDシミュレーションにより検討を行った。特に分子サイズが小さく、ルイス塩基性の大きいアニオンを用いた系では、アニオンがリチウムイオンのみに配位する凝集構造が主に観測され、この領域内ではアニオンとの配位交換を伴う高速なリチウムイオン拡散が確認された。一方で、こうした系は容易に結晶化し、実用的な高イオン伝導性の発現には至らなかったことから、非晶質状態を維持するための工夫が必要であると考えられる。これらの成果は、研究代表者と海外研究グループとの国際共同研究として論文化しており、現在はその続報となる新たな成果についても論文原稿の作成を進めている段階であることから、当初の計画通りに進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、海外グループと連携しながら、分子動力学シミュレーションを主軸とした高イオン伝導性電解質の探索を進め、得られた有望な分子設計に基づく高分子・リチウム塩を実際に合成・評価することで、従来の限界を超えるイオン伝導機構の解明および革新的な電解質設計指針の確立を目指す。また、開発した新規ソフトマター電解質のリチウム金属二次電池への応用可能性を実証するため、現在並行して進めているSEI設計技術と組み合わせ、金属負極界面の安定化および可逆性の向上を図るとともに、実用性を意識したプロトタイプセルの構築および電池性能の総合的な特性評価を推進する計画である。
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