計算化学とデータ科学の融合による4V級高電圧水系二次電池用電解液の分子設計

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持続可能社会の実現に向け、現行のリチウムイオン電池を上回るエネルギー密度と安全性を備えた次世代電池の研究開発が進んでいる。その中で水系二次電池は、高安全化、高出力化、低コスト化の観点で有望であるが、電圧特性が乏しい点が課題である。本研究の目的は、計算化学的手法とデータ科学的手法を組み合わせ、水系二次電池の高電圧化を可能とする電解液の設計指針を提案することである。具体的には、① 大規模/長時間スケールでの連鎖的な電気化学反応を追跡できるレッドムーン法を用いて、不動態被膜(SEI)の安定性を解析すること、② データ科学的手法により、SEIの安定性と電解液の界面構造・電子状態との相関関係(記述子)を明らかにすること、③ 記述子に基づくハイスループット計算により、高安定水系電解液材料の広域探索を行うこと、の三つである一般的にリチウムのレドックス電位は水溶液の電位窓下限より下にあるため、水系二次電池の作動電圧の向上には、負極表面にアニオンの分解物に由来するSEI被膜を形成させ、水の還元反応(水素発生反応)を速度論的に抑えることが必須である。初年度は、第一原理計算などを用いて、SEI形成に係るアニオンの分解経路を網羅的に調査した。特に、水分子由来の水素ラジカルを経由してアニオンが分解する新たな反応経路を見出した。他方で、SEIだけに頼らずに水素発生反応を抑制するには、リチウムのレドックス電位を上昇させることも重要である。カチオンのレドックス電位は電解液の塩濃度を増加させることで上昇することが知られており、初年度はその背後にあるメカニズムを解析した。その結果、カチオンのレドックス電位の上昇は、カチオンの静電サイトポテンシャル(液相マーデルングポテンシャル)により定量的に説明可能であることを明らかにした。これらの研究成果に関連し、国内外で5件の研究発表および2報の論文報告を行った。