高効率・長寿命金属リチウム二次電池の実現に向けた多機能被膜の創製

金属リチウムは、二次電池の高エネルギー密度化を実現する究極の高容量負極材料である。しかし、金属リチウム表面で従来の電解液が還元分解されて形成される被膜が不安定であることに起因して、充電時にリチウムが針状に析出する。これが原因で、充放電効率が低く、寿命が短いことが問題となっている。本研究は、リチウム塩高濃度電解液と高分子膜を組み合わせることで、優れたリチウムイオン輸送特性と安定性を兼ね備える被膜を開発し、金属リチウム負極の平滑な析出と高効率・長寿命化を実現することを目的としている。2021年度に、イミド系リチウム塩とスルホン系溶媒から成る高濃度電解液とフッ素系高分子を組み合わせたゲル電解質で被覆した電極を用いることで、金属リチウム負極の密な析出形態を実現し、リチウム析出溶解反応の効率（金属リチウム負極の充放電効率）とサイクル寿命を向上できることを見出している。2022年度は、このゲル電解質被覆による金属リチウム負極の高性能化の要因を調査した。ラマン分光測定より、本ゲル電解質中ではリチウムイオンとイミド系アニオンが強く相互作用していることを見出した。また、本ゲル電解質で被覆した電極を用いることで、イミド系アニオン由来の成分を多く含有する安定な被膜を形成でき、金属リチウム負極/電解液界面の抵抗を低減できることが分かった。これは本ゲル電解質中でのリチウムイオンとイミド系アニオンの強い会合に起因すると考えられる。この被膜によるLi析出溶解反応過程の高速化・安定化により、金属リチウムの密な析出形態が実現したことで、電解液の還元分解反応や金属リチウムの不活性化が抑制され、リチウム析出溶解反応の高効率・長寿命化が可能となったと考えられる。

金属リチウムは、二次電池の高エネルギー密度化を実現する究極の高容量負極材料である。しかし、金属リチウム表面で従来の電解液が還元分解されて形成される被膜が不安定であることに起因して、充電時にリチウムが針状に析出する。これが原因で、充放電効率が低く、寿命が短いことが問題となっている。本研究は、リチウム塩高濃度電解液と高分子膜を組み合わせることで、優れたリチウムイオン輸送特性と安定性を兼ね備える被膜を開発し、金属リチウム負極の平滑な析出と高効率・長寿命化を実現することを目的としている。2021年度に、イミド系リチウム塩とスルホン系溶媒から成る高濃度電解液とフッ素系高分子を組み合わせたゲル電解質で被覆した電極を用いることで、金属リチウム負極の密な析出形態を実現し、リチウム析出溶解反応の効率（金属リチウム負極の充放電効率）とサイクル寿命を向上できることを見出している。2022年度は、このゲル電解質被覆による金属リチウム負極の高性能化の要因を調査した。ラマン分光測定より、本ゲル電解質中ではリチウムイオンとイミド系アニオンが強く相互作用していることを見出した。また、本ゲル電解質で被覆した電極を用いることで、イミド系アニオン由来の成分を多く含有する安定な被膜を形成でき、金属リチウム負極/電解液界面の抵抗を低減できることが分かった。これは本ゲル電解質中でのリチウムイオンとイミド系アニオンの強い会合に起因すると考えられる。この被膜によるLi析出溶解反応過程の高速化・安定化により、金属リチウムの密な析出形態が実現したことで、電解液の還元分解反応や金属リチウムの不活性化が抑制され、リチウム析出溶解反応の高効率・長寿命化が可能となったと考えられる。