Li溶融塩錯体中のイオン間の運動相関の適用によるLiイオン輸送メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 23KJ0992
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分36020:エネルギー関連化学
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 須藤 拓 横浜国立大学, 大学院理工学府, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-04-25 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 3,000千円 (直接経費: 3,000千円); 2025年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2024年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2023年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: リチウムイオン電池 / 溶融塩 / イオン液体 / 溶液化学

研究開始時の研究の概要

電解液の設計となると、材料化学的な 経験則に基づいた手法が一般的であり、理論をベースにしたアプローチは、実用的な濃度におけるイオン輸送が解明されていないことから困難であった。
本研究では、古典的な溶液理論に「イオン間の運動相関」の概念を新たに導入することによってLiイオン輸送メカニズムの解明を図る。メカニズムの解明により、複雑な電解液理論におけるイオン輸送の不明瞭さが明らかにされ、未開拓であった学問領域への進出につながるとともに、理論的な知見を孕んだ、独創的な液体電解質開発が可能となる。さらに、目的とする電解液を設計できた場合には、実際に次世代Li系二次電池に適用する応用研究へと展開していく。

研究実績の概要

本研究では、電解質の溶液構造とイオン間の運動相関の関連性の理解を達成し、理論的なアプローチによって高性能な液系Li系電解質の創製を行うことを目的としている。イオン間の運動相関の調査結果に関しては自らが筆頭著者として査読付き国際誌での論文化ができたほか、共著者としても貢献ができた。（T. Sudoh, S. Ikeda, K. Shigenobu, S. Tsuzuki, K. Dokko, M. Watanabe, W. Shinoda　and K. Ueno, The Journal of Physical Chemistry C, 2023, 127, 12295-12303. / S. Ikeda, S. Tsuzuki, T. Sudoh, K. Shigenobu, K. Ueno, K. Dokko, M. Watanabe and　W. Shinoda, The Journal of Physical Chemistry C, 2023, 127, 13837-13845. / K. Shigenobu, S. Tsuzuki, F. Philippi, T. Sudoh, Y. Ugata, K. Dokko, M.　Watanabe, K. Ueno and W. Shinoda, The Journal of Physical Chemistry B, 2023, 127, 10422-10433.)このほかにも国内学会での発表を行い、研究成果を社会還元した。（須藤 拓、後藤 高志、獨古 薫、渡邉 正義、上野 和英「ポリマーの添加によるLi塩の液体化」、『第13回イオン液体討論会』、2B008 / 須藤 拓、後藤 高志、獨古 薫、渡邉 正義、上野 和英「高分子を微量添加した溶融Liイミド塩の電池適応可能性」、『第64回電池討論会』、１G１７）

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

予定通り超濃厚電解液の溶液構造の調査に着手することができた。特に超濃厚電解液を様々な有機溶媒によって希釈したときのイオン間の運動相関の調査に伴い、最終的な研究目的である「高Liイオン輸率を有する液系電解質の開発」の指針を立てることができた。実際にサンプルを調製し、物性評価をするところまで到達している。しかしながら、この系でのイオン間の運動相関の評価という面では、イオン間の運動相関を算可能な物性を有していないため、現時点での研究設備では評価は難しく、実験的な工夫を必要としている段階にある。順調に進展した結果、思いもよらぬ課題に直面しているといえるが、最終的な研究目的の到達には問題ないと考えられる。

今後の研究の推進方策

最終的な研究目的である「高Liイオン輸率を有する液系電解質の開発」に向け、イオン間の運動相関調査によって得られた知見によって得た指針をもとに、さらなる電解液の高性能化を目指していく。高性能化に伴って、物性評価を各サンプルについて行い、データを蓄積することで、材料と電解液構造並びに輸送特性との関連性を明らかにしていく。目標としている数値を達成できる電解質の開発にこぎつけられた場合には、速やかに電池評価に移ることで、技術の変遷が激しい電池業界から遅れることなく研究に邁進していく。

研究成果

• [雑誌論文] Li-Ion Transport and Solution Structure in Sulfolane-Based Localized High-Concentration Electrolytes (2023)
  • 著者名/発表者名: Sudoh Taku、Ikeda Shuhei、Shigenobu Keisuke、Tsuzuki Seiji、Dokko Kaoru、Watanabe Masayoshi、Shinoda Wataru、Ueno Kazuhide
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 127 号: 25 ページ: 12295-12303
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c02112
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lithium-Ion Dynamics in Sulfolane-Based Highly Concentrated Electrolytes (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Shuhei、Tsuzuki Seiji、Sudoh Taku、Shigenobu Keisuke、Ueno Kazuhide、Dokko Kaoru、Watanabe Masayoshi、Shinoda Wataru
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 127 号: 28 ページ: 13837-13845
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c02155
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Level Origin of Ion Dynamics in Highly Concentrated Electrolytes (2023)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Keisuke、Tsuzuki Seiji、Philippi Frederik、Sudoh Taku、Ugata Yosuke、Dokko Kaoru、Watanabe Masayoshi、Ueno Kazuhide、Shinoda Wataru
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 127 号: 48 ページ: 10422-10433
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c05864
  • 査読あり
• [学会発表] 高分子を微量添加した溶融Liイミド塩におけるイオン輸送特性の向上 (2023)
  • 著者名/発表者名: 須藤 拓
  • 学会等名: 2023年 電気化学秋季大会
• [学会発表] ポリマーの添加によるLi塩の液体化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 須藤 拓
  • 学会等名: 第13回イオン液体討論会
• [学会発表] 高分子を微量添加した溶融Liイミド塩の電池適応可能性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 須藤 拓
  • 学会等名: 第64回電池討論会
• [学会発表] 高分子の微量添加に伴うLi塩の深過冷却化と発現メカニズムの調査 (2023)
  • 著者名/発表者名: 須藤 拓
  • 学会等名: 電気化学会第91回大会
• [産業財産権] 溶融塩、および、溶融塩の製造方法 (2024)
  • 発明者名: 上野 和英、須藤 拓、後藤 高志、渡邉 正義、獨古 薫
  • 権利者名: 上野 和英、須藤 拓、後藤 高志、渡邉 正義、獨古 薫
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2024