Theory of highly concentrated aqueous electrolyte and application to dual ion battery

デュアルイオン電池(DIB)は炭素へのアニオンとカチオンの挿入を利用した2次電池である。この電池は高濃度水系電解液を用いると、Liイオン電池並みの高エネルギー密度に到達できる可能性がある。多成分系高濃度水系電解液では、電位窓が大きく広がるが、溶媒和構造を含めて、その機構は十分、解明されていないので、そこで、本研究では電位窓を広く取れる高濃度電解液の探索とその溶媒和構造を含めて、安定性が向上する機構を検討した。初年度は、水系電解液への添加物効果 を検討し、アセトニトリルまたはテトラグライム(G4)を添加すると耐還元性が大きく向上し、1.7-5.2Vという広い電位窓を到達することができた。２年度目は、さらに検討の領域を広げ、電位窓が広がる機構を検討した。ラマン分析からはG4を添加するとすべての水がLiFSI-LiTFSIという支持塩に溶媒和することが分かった。さらに詳細なハイブリッド電解液の溶媒和構造を検討し、G4の混合は、水和クラスターにトラップされているアニオンを自由にし、インタカレートしやすくする効果があることを活性化エネルギーの測定で示した。高濃度水系電解液中ではアニオンはLi+の溶媒和クラスターにトラップされており、インタカレートを生じにくいが、G4の添加で、Li+により強く溶媒和するので、電荷が局所化し、アニオンはトラップから解放される。この結果、インタカレーションする活性化エネルギーは低下することが分かった。一方、KS6/Mo6S8というフルセルを作成し、繰り返し充放電の安定性を検討した。その結果、G4を添加するとMo6S8上に良好なSEIが生成し、電解液の分解が抑制されることを示した。セルは、40mAh/g程度の容量を500サイクル安定に示した。

デュアルイオン電池(DIB)は炭素へのアニオンとカチオンの挿入を利用した2次電池である。この電池は高濃度水系電解液を用いると、Liイオン電池並みの高エネルギー密度に到達できる可能性がある。多成分系高濃度水系電解液では、電位窓が大きく広がるが、溶媒和構造を含めて、その機構は十分、解明されていないので、そこで、本研究では電位窓を広く取れる高濃度電解液の探索とその溶媒和構造を含めて、安定性が向上する機構を検討した。初年度は、水系電解液への添加物効果 を検討し、アセトニトリルまたはテトラグライム(G4)を添加すると耐還元性が大きく向上し、1.7-5.2Vという広い電位窓を到達することができた。２年度目は、さらに検討の領域を広げ、電位窓が広がる機構を検討した。ラマン分析からはG4を添加するとすべての水がLiFSI-LiTFSIという支持塩に溶媒和することが分かった。さらに詳細なハイブリッド電解液の溶媒和構造を検討し、G4の混合は、水和クラスターにトラップされているアニオンを自由にし、インタカレートしやすくする効果があることを活性化エネルギーの測定で示した。高濃度水系電解液中ではアニオンはLi+の溶媒和クラスターにトラップされており、インタカレートを生じにくいが、G4の添加で、Li+により強く溶媒和するので、電荷が局所化し、アニオンはトラップから解放される。この結果、インタカレーションする活性化エネルギーは低下することが分かった。一方、KS6/Mo6S8というフルセルを作成し、繰り返し充放電の安定性を検討した。その結果、G4を添加するとMo6S8上に良好なSEIが生成し、電解液の分解が抑制されることを示した。セルは、40mAh/g程度の容量を500サイクル安定に示した。