高出力型Mg2+電池に適した新規異種イオン混合型電解液の開発

資源偏在のリスク等からポストLi+電池の開発が求められる中、高エネルギー密度・高安全性が期待できるMg2+電池の実用化に注目が集まる。しかし、Mg2+電池はキャリアイオンの強い相互作用によって室温での高速充放電(1時間)が困難であり、実用化に向けては大きな障壁がある。これに対し本研究では、申請者がLi+電池系の電解液分野において継続的に取り組んできた、キャリアイオンとは異なるイオン種を混合する「異種イオン混合型電解液」をMg2+電池系へ拡張することで課題解決を目指した。2022年には種々のアニオン種(BF4, PF6, TFSA)を有する4級アンモニウム塩を混合した異種イオン混合型電解液を開発した結果、FePO4正極の充放電試験においてBF4混合型が非常に優れた出力特性を示すことが明らかとなった(室温下において2時間程度で充放電可能)。さらに溶液構造パラメータ(溶媒和数, 結合距離, 配向性など)を分子レベルで解明した結果、複数のBF4アニオンがMg2+カチオンに配位した構造体が推定され、この構造が高出力化に有効である可能性が示唆された。本研究により、Mg2+電池の実用化に向けた研究開発を推進させるだけではなく、電解液設計において「悪手」とされてきた異種イオン混合のアプローチが電解液設計に及ぼす影響を体系的な学理として構築できる可能性が示唆された。さらに、Mg2+電池系だけでなく、Ca2+/Zn2+電池系における異種イオン混合による出力特性向上効果も見出されており、種々の電池系における異種イオン混合によるアプローチの有効性が明らかとなった。

資源偏在のリスク等からポストLi+電池の開発が求められる中、高エネルギー密度・高安全性が期待できるMg2+電池の実用化に注目が集まる。しかし、Mg2+電池はキャリアイオンの強い相互作用によって室温での高速充放電(1時間)が困難であり、実用化に向けては大きな障壁がある。これに対し本研究では、申請者がLi+電池系の電解液分野において継続的に取り組んできた、キャリアイオンとは異なるイオン種を混合する「異種イオン混合型電解液」をMg2+電池系へ拡張することで課題解決を目指した。2022年には種々のアニオン種(BF4, PF6, TFSA)を有する4級アンモニウム塩を混合した異種イオン混合型電解液を開発した結果、FePO4正極の充放電試験においてBF4混合型が非常に優れた出力特性を示すことが明らかとなった(室温下において2時間程度で充放電可能)。さらに溶液構造パラメータ(溶媒和数, 結合距離, 配向性など)を分子レベルで解明した結果、複数のBF4アニオンがMg2+カチオンに配位した構造体が推定され、この構造が高出力化に有効である可能性が示唆された。本研究により、Mg2+電池の実用化に向けた研究開発を推進させるだけではなく、電解液設計において「悪手」とされてきた異種イオン混合のアプローチが電解液設計に及ぼす影響を体系的な学理として構築できる可能性が示唆された。さらに、Mg2+電池系だけでなく、Ca2+/Zn2+電池系における異種イオン混合による出力特性向上効果も見出されており、種々の電池系における異種イオン混合によるアプローチの有効性が明らかとなった。