Lithium ion intercalation into graphite in aqueous media

本研究では、リチウムイオン電池に使用されている電解液を有機溶媒系から水系に置き換えることを目的とする。その際に問題となるのが負極反応である。リチウムイオン電池の負極には黒鉛が用いられ、その充放電反応（リチウムイオンの挿入脱離反応）は極めて低い電位（強還元雰囲気）で起こるため、水の還元分解（水素発生）と競合してしまう。本研究では、低電位における水の還元分解反応を高度に抑制可能な黒鉛電極/電解液界面を探索した。本年度は、電極表面における水の還元分解反応の素過程について調べるとともに、黒鉛表面の疎水化手法について検討した。電極表面における水分子の状態を分光法により調べた結果、水系電解液のリチウム塩濃度によって水分子の表面集積状態が異なることが分かった。既に観察されているリチウム塩高濃度化による水の還元分解抑制の一因となっていると考えられる。また、黒鉛表面の疎水化手法として、疎水性ポリマーによる被覆方法について検討した。次年度に高濃度水系電解液（水和融体電解液）を組み合わせた評価を実施する。本研究により明らかとなった水の還元分解反応の素過程は、水素発生抑制に向けた重要な学術知見となる。競合する水素発生反応の抑制により、黒鉛電極へのリチウムイオン挿入反応に成功すれば、安全かつ高性能な水系リチウムイオン電池の実現が期待される。現行リチウムイオン電池は、使用されている有機電解液が可燃性であるため、火災事故が多発し、更なる用途拡大に向けた大きな障壁となっている。水系リチウムイオン電池では、火災リスクを最小化することができるため、火災事故が絶対に許されない用途への応用が大きく拡大する。

本研究では、リチウムイオン電池に使用されている電解液を有機溶媒系から水系に置き換えることを目的とする。その際に問題となるのが負極反応である。リチウムイオン電池の負極には黒鉛が用いられ、その充放電反応（リチウムイオンの挿入脱離反応）は極めて低い電位（強還元雰囲気）で起こるため、水の還元分解（水素発生）と競合してしまう。本研究では、低電位における水の還元分解反応を高度に抑制可能な黒鉛電極/電解液界面を探索した。本年度は、電極表面における水の還元分解反応の素過程について調べるとともに、黒鉛表面の疎水化手法について検討した。電極表面における水分子の状態を分光法により調べた結果、水系電解液のリチウム塩濃度によって水分子の表面集積状態が異なることが分かった。既に観察されているリチウム塩高濃度化による水の還元分解抑制の一因となっていると考えられる。また、黒鉛表面の疎水化手法として、疎水性ポリマーによる被覆方法について検討した。次年度に高濃度水系電解液（水和融体電解液）を組み合わせた評価を実施する。本研究により明らかとなった水の還元分解反応の素過程は、水素発生抑制に向けた重要な学術知見となる。競合する水素発生反応の抑制により、黒鉛電極へのリチウムイオン挿入反応に成功すれば、安全かつ高性能な水系リチウムイオン電池の実現が期待される。現行リチウムイオン電池は、使用されている有機電解液が可燃性であるため、火災事故が多発し、更なる用途拡大に向けた大きな障壁となっている。水系リチウムイオン電池では、火災リスクを最小化することができるため、火災事故が絶対に許されない用途への応用が大きく拡大する。