高濃度電解液中のリチウムイオンホッピング伝導機構の解明と次世代蓄電池への展開

阐明高浓度电解液中锂离子跳跃传导机制及其在下一代蓄电池中的应用

• 批准号: 20J20165
• 负责人: 宇賀田 洋介
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J20165/
• 关键词: 電解液; リチウムイオン電池; イオン伝導; 電気化学; リチウム系二次電池; 有機電解液

これまでの検討から、スルホンを溶媒としたLi塩高濃度中において、Liイオンが最も速く拡散するLiイオンホッピング伝導機構が発現することを明らかにし、種々のスルホン系溶媒の中でもスルホラン(SL)を溶媒に用いることで高いLiイオン輸送性能を達成できることを見出してきた。また、Li塩に関してはLiN(SO2F)2 (LiFSA)を使用することで、高塩濃度でも電解液の粘度が比較的低くなり、高いイオン伝導度を示すことがわかっている。一方、LiFSAとSLからなる高濃度電解液は、溶媒和物の融点が比較的高いため、低温では溶媒和物の結晶化が起こり、電解液として機能しないという課題がある。本年度は、深共晶溶媒で見られるような多成分化による融点降下に着目し、LiFSA、SL、ジメチルスルホン(DMS)の三成分を混合させることで液体温度範囲の広い高濃度電解液を開発し、それらの熱物性、溶液構造、輸送特性および電気化学特性について調査した。LiFSA-SL-DMS三元系電解液は、混合エントロピーの増加により広い温度範囲にわたって液体状態を維持し、150 °Cまでは溶媒の蒸発が起こらず高い熱安定性を有することがわかった。また、[LiFSA]/[SL]/[DMS] = 1/1.5/1.5の組成の三元系電解液では、Liイオンが溶媒やアニオンよりも速く拡散するホッピング伝導機構が発現し、比較的高いLiイオン輸率を示すことが明らかになった。この三元系電解液は4 Vを超える広い電位窓を有し、リチウムイオン電池の正極材料であるLiCoO2を用いたリチウム二次電池に適用した際には従来の混合カーボネート系電解液に匹敵する出力性能を示すこともわかった。さらに、-20 °Cの低温環境下でもリチウム二次電池の電解液として適用できることも確認された。

In this case, the solvent is used to transport Li in high concentration, and the Li in high concentration is used to transport Li in high concentration. LiN(SO2F)2 (LiFSA) is used at high concentrations and the viscosity of the electrolyte is relatively low and the conductivity is relatively high. One side, LiFSA SL This year, deep eutectic solvents were found to be multi-component, melting point lowering, mixing of three components, LiFSA, SL and DMS, development of high concentration electrolyte in liquid temperature range, thermal properties, solution structure, transport characteristics and electrochemical characteristics. LiFSA-SL-DMS ternary electrolyte system has high thermal stability due to the increase of temperature range and maintenance of liquid state at 150 °C and evaporation of solvent. Ternary electrolyte system with composition of [LiFSA]/[SL]/[DMS] = 1/1.5/1.5, Li, solvent, solvent. The ternary electrolyte has a high potential of 4 V and is suitable for secondary batteries. LiCoO2 is used as an electrode material for secondary batteries. The output performance of the ternary electrolyte is comparable to that of the hybrid electrolyte. The electrolyte of secondary battery is suitable for low temperature environment of-20 °C.

项目成果

Fundamental Properties and Battery Application of Highly Concentrated Li salt/Mixed Sulfone Solvent Electrolytes

高浓度锂盐/混合砜溶剂电解质的基本性能及电池应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Yosuke Ugata; Yichuan Chen; Kazuhide Ueno; Masayoshi Watanabe; Hiroki Mita; Jusuke Shimura; Masayuki Nagamine; Kaoru Dokko
• 通讯作者: Kaoru Dokko

Solvation Structure and Ion Transport in Highly Concentrated Li salt/Sulfone Electrolyte Solutions

高浓度锂盐/砜电解质溶液中的溶剂化结构和离子传输

• 发表时间: 2023
• 作者: Yosuke Ugata ; Kazuhide Ueno ; Masayoshi Watanabe ; Kaoru Dokko
• 通讯作者: Kaoru Dokko

Understanding the Reductive Decomposition of Highly Concentrated Li Salt/Sulfolane Electrolytes during Li Deposition and Dissolution

• DOI: 10.1021/acsaem.0c02961
• 发表时间: 2021-02
• 作者: Yosuke Ugata;R. Tatara;Toshihiko Mandai;K. Ueno;M. Watanabe;Kaoru Dokko

Anionic Effects on Li-Ion Activity and Li-Ion Intercalation Reaction Kinetics in Highly Concentrated Li Salt/Propylene Carbonate Solutions

高浓度锂盐/碳酸丙烯酯溶液中阴离子对锂离子活性和锂离子嵌入反应动力学的影响

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c08653
• 发表时间: 2023
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry C
• 作者: Ugata Yosuke;Tatara Ryoichi;Ock Ji-young;Zhang Jingjun;Ueno Kazuhide;Watanabe Masayoshi;Dokko Kaoru
• 通讯作者: Dokko Kaoru

スルホン系混合溶媒を用いたLi塩高濃度電解液の特性

使用磺基混合溶剂的锂盐高浓度电解液的特性

• 发表时间: 2022
• 作者: Lu Chenlin;Maity Basudev;Peng Xue;Ito Nozomi;Abe Satoshi;Sheng Xiang;Ueno Takafumi;Lu Diannan;Kazuki Nakanishi;宇賀田 洋介・陳 奕銓・上野 和英・渡邉 正義・三田 洋樹・志村 重輔・永峰 政幸・獨古 薫
• 通讯作者: 宇賀田 洋介・陳 奕銓・上野 和英・渡邉 正義・三田 洋樹・志村 重輔・永峰 政幸・獨古 薫