新潟大ら,濃厚な電解液の構造をラマン分光で解明

新潟大学,東京理科大学,新潟大学,山口大学,高エネルギー加速器研究機構,山形大学,横浜国立大学は,新たにリチウムイオン電池(LIB)電解液として期待されている濃厚リチウム塩水溶液の液体構造を,分子レベルで明らかにすることに成功した(ニュースリリース)。

電気⾃動⾞の普及に伴い,より安全で⾼容量な蓄電池の開発が世界的に進められている。LIB中でリチウムイオン伝導を担う電解液に⽔を使うことができれば,安全で安価な LIBを作ることができる。しかし,⽔はリチウムイオンよりも電⼦を受け取って分解しやすく,これまで蓄電池としての研究は進んでいなかった。

近年,塩濃度が⽐較的⾼い電解液をLIBに⽤いると,電池性能向上が期待できることが分かり,盛んに研究が⾏なわれている。濃厚リチウム塩⽔溶液を⽤いることで⽔が分解せずにLIBが駆動することが報告されて,これには,電解液である濃厚リチウム塩⽔溶液の液体構造が重要と考えられていた。しかし,この液体構造の解析は極めて難しく,推論に留まっていた。

研究グループは今回,ラマン分光法によるリチウムイオンの状態分析と中性⼦・X線を利⽤した実験と理論的なシミュレーションを組み合わせて,濃厚リチウム塩⽔溶液の液体構造の分⼦レベルでの解明に挑んだ。

その結果,濃厚リチウム塩⽔溶液中では,陰イオンが2つ以上のリチウムイオンを架橋した会合体を形成すること,および希薄⽔溶液とは異なり,隣り合う⽔分⼦間の⽔素結合が極めて弱いことを発⾒した。

⽔系LIBが駆動するには,電極に形成する⽪膜が重要であり,リチウムイオンと陰イオンからなる会合体の関与が指摘されていた。今回,ラマン分光実験より得られた濃厚リチウム塩⽔溶液中の各成分のラマン散乱因⼦に,複数の陰イオンとリチウムイオンが結合した会合体のピークを観測し,会合体の形成を世界で初めて実験的に証明した。

今回明らかにした濃厚リチウム塩⽔溶液中のリチウムイオン構造は⽔系LIB駆動の鍵を握る⽪膜形成に⼤きく影響するという。研究グループは,今回の成果を指針として,より良好な⽪膜を形成する濃厚リチウム塩⽔溶液を開発し,蓄電池への応⽤を⽬指すとしている。

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