電気を蓄え、必要なときに取り出すことのできる二次電池は、自然エネルギーの有効利用や電気自動車の普及に基づく低炭素社会の実現に向けた中核技術の一つである。現在最も優れた二次電池はリチウムイオン電池であるが、更なる高密度エネルギー貯蔵 (小型・軽量化) のため、現在の3.7 Vから5 V級への高電圧化の要請が強まっている。
そのため、高い電圧を発生する電極材料の研究が活発に行われ、さまざまな5 V級正極材料が提案されてきた。しかし、既存の有機電解液を用いると、高電圧ゆえの副反応が継続的に起こることが問題になっている。これまで、添加剤の使用など、既存電解液をベースとしたさまざまな改良が行われてきたが、未だ安定な充電・放電反応を実現するには至っていない。加えて、既存の有機電解液は可燃性の有機溶媒を使用しているため、高電圧作動における安全性の確保も課題となっている。従って、既存電解液の延長線上にはない、革新的な電解液の開発が急務となっていた。
東京大学大学院工学系研究科の山田淳夫教授と山田裕貴助教らのグループは、国立研究開発法人物質・材料研究機構の館山佳尚グループリーダー、国立研究開発法人科学技術振興機構の袖山慶太郎さきがけ研究員らとの共同研究により、リチウムイオン電池の高電圧作動を可能にする新規な難燃性電解液を開発した。この電解液は、2014年に発表した“濃い”電解液 (高濃度電解液) の概念に基づき新たに設計されたものであり、リチウムイオンの濃度を極限まで高めることによって、リチウムイオン、アニオン (マイナスイオン) 、有機溶媒分子が相互に結び付いたネットワーク構造を有していることが、国立研究開発法人理化学研究所のスーパーコンピュータ「京」を用いたシミュレーションにより明らかとなった。この特殊な溶液構造により、有機溶媒に起因する燃焼性が格段に低下するとともに、高電圧作動時に発生する副反応を抑制することができ、既存電解液では不可能であった平均電圧4.6 Vのリチウムイオン電池の安定作動に成功した。新開発の難燃性電解液により達成された高電圧作動により、高密度かつ高安全のエネルギー貯蔵が可能となり、長距離走行が可能な電気自動車の開発などに大きく貢献すると期待される。
この研究成果は、2016年6月29日付けのNature Communicationsに掲載される。
なお、本研究成果の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金特別推進研究 (No. 15H05701) 及び若手研究 (A) (No. 26708030) による支援を受けて行われた。
