リチウム金属電池の性能を最大化する指標を発見、東北大：電解液濃度の最適条件を決める

東北大学は、リチウム金属電池の電解液濃度について、電池性能を最大化するための新たな指標を発見した。「イオンの協調輸送」と「保護膜（SEI）の強さ」が高性能化のカギを握るという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高性能化のカギを握る「イオンの協調輸送」と「保護膜の強さ」

　東北大学金属材料研究所の李弘毅助教、市坪哲教授の研究グループは2026年7月、リチウム金属電池の電解液濃度について、電池性能を最大化するための新指標を発見したと発表した。「イオンの協調輸送」と「保護膜（SEI）の強さ」が高性能化のカギを握るという。

　リチウム金属電池は、現行のリチウムイオン電池に比べ、高いエネルギー密度を実現できる。ただ、充放電時にデンドライト（針状リチウム）が形成され、電池の寿命や安全性を低下させるなど、課題もあった。

　この対策として、「電解液の濃度を高めればリチウム金属負極が安定する」ことが報告されている。しかし、「特定の濃度でなぜ性能が向上するのか」「電解液濃度の変化がイオン輸送やSEIの形成に与える影響」などについては、十分に解明されていなかった。

　そこで研究グループは、リチウムビス（トリフルオロメタン）−スルホニルイミド（LiTFSI）を溶解したEC（エチレンカーボネート）-PC（プロピレンカーボネート）系電解液を用い、その濃度を系統的に変化させながら、「イオン輸送特性」「リチウム析出・溶解挙動」および、「SEIの力学特性」を包括的に評価した。

　電解液中のリチウム同位体⁷Liと陰イオン（TFSI^-）に含まれるフッ素同位体¹⁹Fの自己拡散係数を、PFG-NMR測定によって解析した。この結果、特定の濃度領域で2つの自己拡散係数が近い値を示し、Li⁺とTFSI^-を含むイオン種が、協調的に移動していることが分かった。この条件では、負極表面へのリチウム析出がより均一となって、優れた充放電安定性が得られた。

　また、SEIが形成されたリチウム金属表面に対し、ナノインデンテーション測定を行い、深さ数十ナノメートルにおける硬さと弾性率を評価した。これにより、イオンの協調輸送が機械的に安定したSEIの形成を促進し、デンドライトの成長が抑えられることを実証した。

上から、各濃度のLiTFSI／EC-PC電解液の外観。電解液濃度の増加に伴う溶媒和構造および、イオン輸送機構の模式図。各濃度の電解液における⁷Liと¹⁹Fの自己拡散係数。SEIを含むリチウム金属表面近傍における硬さと弾性率の比（H／E比） ［クリックで拡大］出所：東北大学

銅箔集電体上における初回リチウム析出後および、溶解後の電極断面の電子顕微鏡像［クリックで拡大］出所：東北大学

　研究グループは今後、さまざまな溶媒やリチウム塩を用いた電解液系の研究を行い、イオン輸送とSEI力学特性の相関を明らかにしていく。なお、今回の研究成果は、ナトリウム蓄電池やマグネシウム蓄電池などの電極／電解液界面の設計指針として活用できる可能性があるとみている。