東大、燃えにくい電解液を用いた4.6Vリチウムイオン電池を開発 高電圧と安全性を両立

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2016年6月29日、東京大学大学院工学系研究科化学システム工学専攻の山田淳夫教授と山田裕貴助教らのグループは、物質・材料研究機構、科学技術振興機構との共同研究により、リチウムイオン電池の高電圧作動を可能にする新たな電解液を開発、従来の3.7Vを大きく超える4.6Vの平均電圧を発生する高電圧、高安全なリチウムイオン電池の安定作動に成功したと発表した。

電気を蓄え、必要なときに取り出すことのできる2次電池は、自然エネルギーの有効利用や電気自動車の普及などに向けた中核技術の1つとされている。現在最も優れた2次電池はリチウムイオン電池とされているが、更なる高密度エネルギー貯蔵のため、現在の3.7Vから5V級への高電圧化が求められている。

高い電圧を発生する電極材料の研究は活発に行われてきたが、既存の有機電解液では、高電圧のためにさまざまな副反応が起こるという問題があった。また、可燃性の有機溶媒を大量に含むため燃えやすく、高電圧作動時の安全性の確保も課題だったという。

山田教授らの研究グループは、2014年に発表した“濃い”電解液(高濃度電解液)概念に基づき、従来のように特殊な溶媒・添加剤を複数種使用するのではなく、商業的に使用されている1種類の溶媒に、1種類のリチウム塩を高濃度に溶解するだけで作成可能な電解液を開発した。

この高濃度電解液は、従来のものと比べ、更に高濃度のリチウムイオンとアニオン(マイナスイオン)を含む。このため、すべての溶媒分子、すべてのアニオンがリチウムイオンに結び付いたネットワーク構造を形成していることが、理化学研究所のスーパーコンピュータ「京」を用いたシミュレーションで明らかになったという。この特殊な溶液構造により、燃焼性が格段に低下するとともに、副反応を抑制することができ、平均電圧4.6Vのリチウムイオン電池の安定作動に成功した。

同研究グループによると、今回の研究により、トレードオフの関係だった高電圧化と高安全化が高度に両立できることが示されたという。その結果、リチウムイオン電池の貯蔵エネルギー量に大幅な増加の余地が生まれたとしている。また、高電圧作動により電池の直列数を減らすことでシステムとしてのエネルギー密度や信頼性も向上するため、電気自動車や太陽光など自然エネルギー有効利用のための出力用2次電池としての展開が期待されるという。

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