2020/03/03

多機能電解液の合理的分子設計

-安全、高エネルギー密度、長寿命の新型リチウムイオン電池へ-

 

東京大学大学院工学系研究科

東京大学大学院理学系研究科

 

概要

リチウムイオン電池は、現時点で最も優れた二次電池であるが、その唯一の欠点とされているのが安全性である。スマートフォンやノートパソコン、電気自動車等においてリチウムイオン電池に起因する火災事故が多く報道されている。その主な原因は可燃性の有機電解液である。繰り返し充放電のためには、負極に保護膜を作る特定の有機溶媒(炭酸エステル類)が必須とされてきたが、非常に燃えやすいことが問題となっていた。

東京大学大学院工学系研究科の山田淳夫教授と東京大学大学院理学系研究科の中村栄一特任教授らのグループは、炭酸エステル類に代わる多機能溶媒を設計・合成することに成功した。この溶媒は、炭酸エステル類と難燃剤の特徴を融合した合理的な分子構造を有し、両者の特徴である保護膜形成、難燃性、及び酸化耐性の全てを兼ね備えている。リチウムイオン電池用電解液として採用することで、高い難燃性が得られるとともに、高電圧化と長寿命化が同時に達成可能であることが分かった。溶媒自身が多機能であるため、当グループが取り組んでいる“濃い”電解液(高濃度電解液)とする必要もなく、既存の電池生産ラインをそのまま使用可能である。

本研究成果により、分子の構造と機能を結びつけた合理的な電解液設計が可能であることが実証され、二次電池材料の開発は新たな展開を迎える。開発した新規電解液が可能にする新型リチウムイオン電池は、高度な安全性、高エネルギー密度、長寿命の全てが要求される電気自動車や電力貯蔵用途の大型二次電池として最適であり、持続可能な低炭素社会の実現に大きく貢献する。

本研究成果は、異分野先端学際融合による世界トップの知の創出を掲げる東京大学において、五神真総長自らが声をかけたことをきっかけとして始まった、工学系(山田淳夫教授:無機化学・電気化学)および理学系(中村栄一特任教授:有機合成化学)超部局間共同研究により達成されたものである。2020年3月2日付の英国学術雑誌Nature Energy電子版に掲載された。なお、本研究は日本学術振興会科学研究費補助金特別推進研究(No. 15H05701及びNo. 19H05459)による支援を受けて行われた。

 

図1: 溶媒分子の設計。負極へのSEI保護膜形成能力のあるECと難燃剤として使われるリン酸エステルの分子構造を融合することで、両者の機能を兼ね備えた溶媒となる。更にフッ素化することで、酸化耐性及びAl腐食抑制機能が付与される。

 

写真 : 五神総長の下に結集した理工学部の研究者(右から、Shang特任講師、中村栄一特任教授、五神総長、山田淳夫教授、山田裕貴講師。)

 

詳細については、東京大学大学院工学研究科 のホームページをご覧ください。

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―

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