東京大、リチウムイオン電池向け多機能溶媒開発：炭酸エステル類と難燃剤の特長融合

東京大学は、炭酸エステル類に代わる多機能溶媒を設計し、合成することに成功した。開発した多機能溶媒をリチウムイオン電池の電解液として用いれば、高い安全性とエネルギー密度、長寿命を同時に実現することが可能になる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高い安全性、高エネルギー密度、長寿命を同時に実現

　東京大学大学院工学系研究科の山田淳夫教授と東京大学大学院理学系研究科の中村栄一特任教授らによる研究グループは2002年3月、炭酸エステル類に代わる多機能溶媒を設計し、合成することに成功したと発表した。開発した多機能溶媒をリチウムイオン電池の電解液として用いれば、高い安全性とエネルギー密度、長寿命を同時に実現することが可能になるという。

　リチウムイオン電池は、モバイル機器や電気自動車などの電源としてさまざまな用途で活用されている。ただ、可燃性の有機電解液（炭酸エステル類）を用いているため、火災事故が発生するなど、安全性に課題があった。

　そこで研究グループは、炭酸エチレン（EC）や炭酸ジメチル（DMC）など炭酸エステル類の代替溶媒として、難燃性と機能性を有する電解液材料の開発に取り組んだ。開発した溶媒は、ECと同じ五角形構造（五員環）のフッ素化リン酸エステル（TFEP）である。SEI（solid electrolyte interphase）と呼ばれる保護膜を形成する能力を持つ。その上、リン酸エステルのように難燃性もある。さらに、フッ素化溶媒の特長である高い酸化耐性を併せ持つという。

溶媒分子の設計 出典：東京大学

溶媒の分子構造と機能 出典：東京大学

　開発した溶媒を電解液として用い、その特性を検証した。この結果、リン酸エステル系溶媒では不可能といわれてきた、黒鉛負極の可逆的充放電反応が可能となった。しかも、商用電解液を用いた場合に比べて、良好な繰り返し充放電特性が得られることも分かった。

　さらに、リチウム基準4.9Vの高い酸化耐性を示すと同時に、商用のLiPF₆以外のリチウム塩を用いた場合に課題となっていた正極アルミニウム集電体の酸化腐食を抑制できるという。これらの結果から、次世代高電位正極（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）は、安定した繰り返し充放電も可能であることが分かった。

左が黒鉛負極の充放電曲線、右はサイクル特性 （クリックで拡大） 出典：東京大学

正極アルミニウム集電体の高電位（4.9V）における酸化挙動と走査型電子顕微鏡の写真 出典：東京大学

次世代高電位正極（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）の充放電曲線とサイクル特性 出典：東京大学

　TFEPを導入したことで自己消火時間がゼロになるなど、難燃性も確認された。ECの代替溶媒として、既存の電池生産ラインをそのまま利用することが可能なため、実証実験も容易に行うことができるという。

TFEPを含む新電解液と商用電解液の各種性能を比較 出典：東京大学

　研究グループは今後、開発した電解液の早期実用化に向けて、課題解決に取り組む。さらに、一段と高機能な電池材料の開発を進めていく予定である。