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低炭素社会に向けた蓄電デバイス(Li+電池等)への需要増大に対し、更なる高エネルギー密度化が求められる。本研究では、2種のカチオンを混合した異種イオン混合型電解液に着目し、反応・異種イオンの輸送能を最適化した設計指針の開拓を目的とした。特に低誘電率(低い相互作用)を有する溶媒を主骨格とした設計により、従来の課題であったLi+輸送能低下を改善しつつ電極内イオン拡散性を向上させる新規異種イオン混合型電解液を目指した。具体的には、低誘電率溶媒としてジメチルカーボネート(DMC)がスピロ型4級アンモニウム塩(SBPBF4等)を特異的に溶解可能であることに着目した。実際にLi塩とSBPBF4、DMC溶媒を組み合わせた電解液を調製した結果、従来のプロピレンカーボネート(PC)溶媒系と比較して、1.5-2倍程度の高いイオン伝導度を実現できることを見出した。さらに、Li+伝導度を磁場勾配NMRによって解析した結果、従来の異種イオン混合型電解液(PC系)よりも2倍程度高いLi+伝導度を示すことが明らかとなった。これは、当初の目的であった高イオン伝導度と高Li+伝導を両立した電解液設計が実現できることを示唆する結果である。実際にLi4Ti5O12//活性炭を用いて充放電試験を実施した結果、200 mA cm-2の電流値で容量維持率50%超という高速な充放電特性を達成した。さらに、SBPBF4を混合した電解液系ではLi4Ti5O12を用いた電池系のガス発生抑制(20-50%減)も確認し、長寿命特性が得られる可能性が示唆された。さらに、Li+電池系だけでなく、Mg2+電池系にも異種イオン混合型の電解液により高出力特性が得られる可能性が見出された。以上より、異種イオン混合により種々の電池系における出力・サイクル特性の向上効果が示され、今後の電解液開発に対する新規設計指針となりうることが期待できる。
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