溶媒和フラストレーションに基づくホッピング伝導性液体電解質の設計

蓄電デバイスの高性能化は持続可能社会実現の一翼を担う重要な研究開発課題であり、高出入力密度の二次電池を実現するために、高速カチオン輸送が可能な電解質の開発が望まれている。従来の電解液中のカチオン輸送は溶媒和されたカチオンの並進運動によって行われ、系の粘性に支配される。本研究では、液体中での効率的なイオンホッピング輸送を実現するため、濃厚電解液中で意図的にカチオンの溶媒和状態を不安定化（溶媒和フラストレーション）させることで、高活性なアルカリ金属カチオンを生成させる方法論を確立する。これにより、液体中でも粘性に支配されない、配位サイト間ホッピング機構によって高速イオン輸送を可能とし、高いイオン伝導性、高いカチオン輸率、容易な電極/電解質界面形成が可能な液体電解質を開発する。様々な分子性溶媒のリチウムカチオンへの配位性について、NMR法によりGutmannのドナー数を見積もった。中でも、鎖状エーテル系溶媒の多くはドナー数が低い弱配位性溶媒に分類されることが分かった。鎖状エーテルからなる濃厚電解液は室温で1 mS/cm以上の比較的高いイオン伝導率を示し、0.7程度の高いリチウム輸率を示すことが分かった。さらに、分子動力学シミュレーションによって、様々な溶媒からなる濃厚電解液中でのリチウムイオン―溶媒間の配位寿命(residence time)を評価したところ、配位寿命とリチウムイオン輸率には良い相関があり、配位寿命が短いほどリチウムイオン輸率が高くなる結果を得た。すなわち、これらの結果は本課題で提案している「意図的なカチオンの溶媒和状態の不安定化（溶媒和フラストレーション」によって生成した高活性なリチウムイオンによる効率的なイオン輸送が行われていることを支持するものである。

蓄電デバイスの高性能化は持続可能社会実現の一翼を担う重要な研究開発課題であり、高出入力密度の二次電池を実現するために、高速カチオン輸送が可能な電解質の開発が望まれている。従来の電解液中のカチオン輸送は溶媒和されたカチオンの並進運動によって行われ、系の粘性に支配される。本研究では、液体中での効率的なイオンホッピング輸送を実現するため、濃厚電解液中で意図的にカチオンの溶媒和状態を不安定化（溶媒和フラストレーション）させることで、高活性なアルカリ金属カチオンを生成させる方法論を確立する。これにより、液体中でも粘性に支配されない、配位サイト間ホッピング機構によって高速イオン輸送を可能とし、高いイオン伝導性、高いカチオン輸率、容易な電極/電解質界面形成が可能な液体電解質を開発する。様々な分子性溶媒のリチウムカチオンへの配位性について、NMR法によりGutmannのドナー数を見積もった。中でも、鎖状エーテル系溶媒の多くはドナー数が低い弱配位性溶媒に分類されることが分かった。鎖状エーテルからなる濃厚電解液は室温で1 mS/cm以上の比較的高いイオン伝導率を示し、0.7程度の高いリチウム輸率を示すことが分かった。さらに、分子動力学シミュレーションによって、様々な溶媒からなる濃厚電解液中でのリチウムイオン―溶媒間の配位寿命(residence time)を評価したところ、配位寿命とリチウムイオン輸率には良い相関があり、配位寿命が短いほどリチウムイオン輸率が高くなる結果を得た。すなわち、これらの結果は本課題で提案している「意図的なカチオンの溶媒和状態の不安定化（溶媒和フラストレーション」によって生成した高活性なリチウムイオンによる効率的なイオン輸送が行われていることを支持するものである。