2011年9月29日
鹤冈工业高等専门学校
京都大学
佐藤貴哉 鹤冈工业高等専门学校教授、森永隆志 同助教、辻井敬亘 化学研究所教授、大野工司 同准教授らの研究グループの成果が科学誌「Advanced Materials」の電子版に掲載されました。
研究の背景
リチウムイオン二次电池は、様々な二次电池の中で最も高いエネルギー密度?高い出力を持ったものであるが、电解液として有机溶媒を用いているため、短络、过充电时など、误使用时の安全対策が不可欠だった。これを実现すべく、电解质の固体化、あるいは、难燃性を有するイオン液体の利用が検讨されているが、いずれも现状では、リチウムイオンの移动性が大きく低下するため、十分な性能を発挥するリチウムイオン电池の開発には至っていない。全固体型リチウムイオン电池は、安全性の向上のみならず、セル内で直列に積層して高電圧化を図ることができるなど、次世代電池として期待され、高いイオン伝導性と安全性を両立できる固体電解質膜の開発が希求されている。
研究の概要
コロイド结晶型固体电解质膜の创製
研究グループでは、难挥発性、耐热性（300℃付近でも発火しない）と耐电圧性（一般的なリチウムイオン二次电池で発生する电圧をかけても安定）を有するイオン液体の分子内に、高分子化が可能な重合性基を导入した新しいイオン液体型モノマーを合成した。このモノマーに辻井らの开発した表面开始リビングラジカル重合法を适用して、直径130苍尘（1苍尘は10亿分の1尘）のシリカ微粒子表面にイオン液体の性质を有する长さの揃った高分子ブラシを高密度に付与したイオン液体ポリマーブラシ／シリカ复合微粒子（笔厂颈笔）を创製した。すでに大野らは、この高密度高分子ブラシの新规な特性を反映して、各种笔厂颈笔が液体中で自己配列し、コロイド结晶と呼ばれる叁次元配列构造体を形成することを発见している。本研究では、笔厂颈笔に少量のイオン液体、リチウムイオンを含む挥発性溶媒の溶液をキャスト製膜（涂布製膜）によって、コロイド结晶の配列を乱すことなく固体膜化に成功した。
イオン伝导チャネル形成による高イオン伝导性の発现
得られた固体膜が従来知られている固体ポリマー电解质に比べて极めて高いイオン伝导性を有すること、膜中において微粒子が面心立方格子构造と呼ばれる规则的な配列构造を有することを明らかにした。微粒子间隙には、高い分子运动性を有するブラシ末端とイオン液体が复合したイオン伝导ネットワークチャンネルが形成され、その结果、固体でありながらイオン液体にも匹敌する高いイオン伝导性を示したと考えられる。新しいコンセプトに基づく构造制御と高机能化を提唱する结果と期待される。
バイポーラ型高電圧リチウムイオン电池の试作
佐藤らは、得られたコロイド結晶膜を電解質としたバイポーラ型高電圧リチウムイオン电池を試作し、セルにてその実用性を確認した。金属箔集電体の表裏に正負極を形成したバイポーラ電極と今回開発したコロイド結晶型固体ポリマー電解質膜を積層することで、1パッケージの中に直列接続された複数個の単電池を組み込むことが可能となる。試作したバイポーラ電池は、単セル電池の2倍の特性、すなわち、満充電電位6.0Vで3.0Vまでの放電、また、室温で50サイクル時まで充放電効率98％を達成した。開発した固体ポリマー電解質は、可燃性物質を含まない固体の電解質でありながら、リチウムイオン电池の室温駆動を可能にする高いイオン伝導性と電池のバイポーラ設計を可能とする成形性?強度を有することが実証された。
今后の展开
次世代リチウムイオン电池の開発課題は、安全性、低コスト化、高信頼性（長寿命）の三つであると言われている。本研究のコロイド結晶型固体ポリマー電解質は、難燃性部材のみから構成されるため、電池の高レベル安全性確保に資するものである。また、可燃性液体を含まない電解質は、リチウムイオン电池の経年劣化による安全性の低下や漏液トラブルが無く、電池の信頼向上に貢献できる材料である。さらに本ポリマー電解質技術を用いてバイポーラ設計が可能となり、高電圧電源の小型化、低コスト化が可能となる。高電圧リチウムイオン电池は、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車用電源として重要な技術課題であり、今後も積極的な研究開発が進んでいくと考えられる。本研究ではセルでの実証評価までを行ったが、現在は実用化に向け、電解質の改良研究および製造プロセス研究を継続研究中である。
参考図
- 新规固体电解质膜の创製コンセプト：复合微粒子の合成と配列制御
本研究への支援
本研究プロジェクトは、以下の研究费?制度の支援を受けて行われた。
- CREST 戦略的創造研究推進事業 プロセスインテグレーションによる機能発現ナノシステムの創製（研究代表 辻井敬亘化学研究所教授、鹤冈工业高等専门学校、物質材料研究機構）
- 文部科学省科学研究費補助金（基盤研究（c））（代表?佐藤貴哉 鹤冈工业高等専门学校物質工学科教授）
用语解説
リチウムイオン电池
充電と放電を繰り返して使用できる充電池（二次電池ともいう）の一種。一般的な充電池の中で最もエネルギー密度が大きく、電池を小型にできるため携帯機器に使用される。自動車用、系統連携円滑化用の大型リチウムイオン电池の開発が進んでいるが、電解質に有機溶媒を使用するため安全性に課題がある。電解質に高分子物質（ポリマー）を用いる電池をポリマー電池と呼ぶ。
高電圧リチウムイオン电池
一般的なリチウムイオン电池のセル電圧は4.2Vである。自動車用などの電源にリチウムイオン电池を用いる場合、数百に及ぶセルを直並列に繋げ、高電圧の電池モジュールとして用いる場合がほとんどである。一つのセル電圧が高ければ、高電圧化する時の直列接続セル数が減らせるため、電源の小型化、低コスト化が達成可能である。
バイポーラ型电池
1セル内で复数の単电池を直列接続した积层构造を有する电池のこと。
イオン液体
プラスに荷电したイオンとマイナスに荷电したイオンのみから构成される常温でも液体の状态を保つ特殊な塩。広い液体温度范囲とイオン伝导性、耐热性、难燃性などを有する。
関连リンク
- 论文は以下に掲载されております。
以下は论文の书誌情报です。
Sato T, Morinaga T, Marukane S, Narutomi T, Igarashi T, Kawano Y, Ohno K, Fukuda T, Tsujii Y.
Novel Solid-State Polymer Electrolyte of Colloidal Crystal Decorated with Ionic-Liquid Polymer Brush.
Adv Mater. 2011 Sep 30. doi:10.1002/adma.201101983. [Epub ahead of print] - 鹤冈工业高等専门学校 物質工学科 佐藤研究室のホームページ
- 京都大学化学研究所 辻井研究室のホームページ
- 颁搁贰厂罢のホームページ
- CREST領域 プロセスインテグレーションによる機能発現ナノシステムの創製のホームページ
- 朝日新聞（9月30日 9面）、京都新聞（9月30日 29面）、荘内日報（10月1日 1面）および山形新聞（10月1日 9面）に掲載されました。