In situ analysis of lithium coordination structure at electrode-electrolyte interface in polymer electrolyte

本研究は、リチウムイオン電池の発火事故の一因である可燃性電解質を、より安全なポリマー材料を用いた電解質（ポリマー電解質）へ代替することを目的とする。未だ実用レベルにないポリマー電解質の特性の中でも、電極-電解質界面で起こる電気化学反応特性については知見が不足している。そこで、ポリマー分子が形成する局所構造が電極-ポリマー電解質界面での電気化学反応へ与える影響の解明を行った。当該年度では、1)リチウム電極-ポリマー電解質界面での局所構造変化の追跡、及び2)ポリマー電解質組成による局所構造のコントロールについて検討した。電極界面での局所構造解析では、手法確立のためにシンプルな反応系であるリチウム電極-ポリエチレンオキシド（PEO）電解質界面を対象とした。特製の赤外分光（IR）電気化学セルにより、電気化学反応中の電極界面で起こる局所構造変化の追跡に成功した。特に、電極表面のX線光電子分法測定（XPS）の結果と合わせることで、重要な界面反応の一つである固体電解質界面（SEI）層の形成反応に対する電解質構造の影響を解明できたことは大きい。本検討で確立した解析手法は、電極界面の直接的な局所構造解析を可能にし、また本結果はSEIデザインに基づく新たなポリマー電解質設計指針を提示する研究成果である。電解質組成と局所構造の相関性の解明のために、種々のポリマー分子構造、及び添加するイオン種の種類・組成を有したポリマー電解質へ、前年度に確立した分光学的手法と計算機による分子動力学（MD）シミュレーションを組み合わせた局所構造解析手法を適用した。これにより、電解質内部の相互作用性に相関して、バルクの局所構造をコントロールできることを見出した。本研究成果を当該年度で確立した電極界面の構造解析へと展開することで、電極界面での局所構造をコントロールできる電解質設計指針の構築へと貢献することが期待できる。

本研究は、リチウムイオン電池の発火事故の一因である可燃性電解質を、より安全なポリマー材料を用いた電解質（ポリマー電解質）へ代替することを目的とする。未だ実用レベルにないポリマー電解質の特性の中でも、電極-電解質界面で起こる電気化学反応特性については知見が不足している。そこで、ポリマー分子が形成する局所構造が電極-ポリマー電解質界面での電気化学反応へ与える影響の解明を行った。当該年度では、1)リチウム電極-ポリマー電解質界面での局所構造変化の追跡、及び2)ポリマー電解質組成による局所構造のコントロールについて検討した。電極界面での局所構造解析では、手法確立のためにシンプルな反応系であるリチウム電極-ポリエチレンオキシド（PEO）電解質界面を対象とした。特製の赤外分光（IR）電気化学セルにより、電気化学反応中の電極界面で起こる局所構造変化の追跡に成功した。特に、電極表面のX線光電子分法測定（XPS）の結果と合わせることで、重要な界面反応の一つである固体電解質界面（SEI）層の形成反応に対する電解質構造の影響を解明できたことは大きい。本検討で確立した解析手法は、電極界面の直接的な局所構造解析を可能にし、また本結果はSEIデザインに基づく新たなポリマー電解質設計指針を提示する研究成果である。電解質組成と局所構造の相関性の解明のために、種々のポリマー分子構造、及び添加するイオン種の種類・組成を有したポリマー電解質へ、前年度に確立した分光学的手法と計算機による分子動力学（MD）シミュレーションを組み合わせた局所構造解析手法を適用した。これにより、電解質内部の相互作用性に相関して、バルクの局所構造をコントロールできることを見出した。本研究成果を当該年度で確立した電極界面の構造解析へと展開することで、電極界面での局所構造をコントロールできる電解質設計指針の構築へと貢献することが期待できる。