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東大、従来のリチウムイオン電池(4.3V)よりも高い5.2Vを上限作動電圧とするリチウムイオン電池の長期安定作動を実現

発表日:2021年04月02日

超5Vリチウムイオン電池の実現

-高電圧作動時の劣化を抑制-

1.発表者:

Ko Seongjae(東京大学 大学院工学系研究科化学システム工学専攻 特任研究員)

山田 裕貴(東京大学 大学院工学系研究科化学システム工学専攻 准教授)

山田 淳夫(東京大学 大学院工学系研究科化学システム工学専攻 教授)

2.発表のポイント

◆従来のリチウムイオン電池(4.3V)よりもはるかに高い5.2Vを上限作動電圧とするリチウムイオン電池の長期安定作動を実現した。

◆正極に含まれる炭素導電助剤と電解液中のアニオン(マイナスイオン)との副反応が、高電圧作動時の容量劣化を引き起こす主要因であることを明らかにした。

◆独自に設計した"濃い"(高濃度)電解液を採用することで、高電圧作動時に起こるあらゆる副反応を抑制することに成功した。

3.発表概要:

リチウムイオン電池(注1)は、電気自動車やスマートグリッドなど、低炭素・持続可能社会の実現に不可欠なキーデバイスであり、その高出力化・高エネルギー密度化に対する社会的ニーズが高まっている。その一環として、現状(4.3V)よりはるかに高い5V以上の作動上限電圧を可能にする次世代リチウムイオン電池の開発が20年以上前から活発に行われているが実用化レベルでの安定作動(初期容量比80%維持率/1000回充放電)の実現には至ってない。その原因として挙げられてきたのが、高電圧作動時の電解液(注2)と正極活物質(注3)の激しい劣化である。

東京大学大学院工学系研究科の山田 淳夫 教授、山田 裕貴 准教授、Ko Seongjae 特任研究員らのグループは、従来の高電圧リチウムイオン電池開発において見逃されていた、第三の重要な劣化因子を特定した。具体的には、高電圧環境下で、正極の導電性を担保するため少量添加している炭素導電助剤(注4)への電解液中のアニオン(マイナスイオン)の挿入が活発に起こり、これが充放電安定性に多大な影響を及ぼすことが分かった。そこで、独自の"濃い"(高濃度)電解液とこれによるアニオン(マイナスイオン)の透過を防ぐ表面設計(保護膜形成)を適用し、全ての劣化要素を高度かつ同時に抑制することに成功した。これにより、5.2Vを上限電圧とするリチウムイオン電池の実用レベルの長寿命化(初期容量比93%維持率/1000回充放電)が達成され、はるかに高いエネルギー密度を有する新型二次電池や、リチウムイオン電池の格段の長寿命化や高速充電化の可能性が示された。

本研究成果は、エネルギー研究専門雑誌 Joule 電子版に掲載された。なお、本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費助成事業(課題番号:20H05673、17J10359)、国立研究開発法人科学技術振興機(JST)の共創の場形成支援プログラム(課題番号:JPMJPF2016)による支援を受けて行われた。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/607871/01_202104021434.pdf

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