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“火を消す”高性能電解液を開発 ~絶対に発火しない長寿命電池の実現へ~

 東京大学,京都大学,国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS)は2017年11月28日,東京大学大学院 工学系研究科の山田 敦夫教授,山田 裕貴助教らと,NIMSエネルギー・環境材料研究拠点の館山 佳尚グループリーダーらの研究グループが,リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池などに適用できる消火機能を備える有機電解液を開発した,と発表した.本研究の成果の一部は,文部科学省元素戦略プロジェクト「京都大学 触媒・電池元素戦略研究拠点ユニット」からの支援を受けて行われ,成果はNature Energy誌にオンライン掲載された(注).

 近年,二次電池の高エネルギー密度化を目指す研究開発が進んでいるが,可燃性有機溶媒を使うリチウムイオン電池の発火・爆発事故が多く報告されている.そのため,更なる高密度化や大型化は発火事故の増加につながるとの懸念もあり,新たな発想による二次電池の安全対策が求められている.従来,二次電池の有機電解液の電解質濃度は1リットル当たり1モル程度が最適とされ,ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)と可燃性の炭酸エステル系溶媒の組合せが標準的な電解液として採用されてきた.これまで,研究グループは,電解質濃度を1リットル当たり3モル程度以上に高濃度化することで,イオン・溶媒分子の配列が従来の電解液とは異なったものとなり,LiPF6と炭酸エステル以外の多様な塩と溶媒の組合せでも,実用的な電解液機能を発揮できることを見出している.

 本研究では,更なる材料探索により,溶媒にトリメチルフォスフェート(リン酸トリメチル)を用いることで,消火機能を備える高性能有機電解液が開発された.従来の炭酸エステル系溶媒は,消防法で灯油や軽油と同グループに分類される引火点40℃以下の液体で,電池の火災・爆発等の主原因となっていた.それに対しトリメチルフォスフェートは引火点を持たない液体であり,加えて,200℃以上に加熱されると発生する蒸気も消火剤として作用する.このような消火機能は,従来の炭酸エステルを用いる電解液にトリメチルフォスフェートを加えても効果が発揮できなかったが,今回の研究で,可燃性の有機溶媒を全く含まないことで初めて実現できた.これまでは,負極の安定作動のために炭酸エステル系溶媒が必須とされていたが,今回開発された電解液を使うリチウムイオン電池やナトリウムイオン電池は,1000回以上の充放電でもほとんど劣化が見られず,長寿命が期待できる.正極との適合性も良好で,現行のリチウムイオン電池の標準的な電圧である3.8Vを超える4.6V級の高電圧リチウムイオン電池や,3.2V級のナトリウムイオン電池の安定充放電にも成功した.

 これまでの電池は,安全対策のためのマネジメントシステムや,何重もの機械的・化学的シャットダウン機構が必要であり,大型化やエネルギー密度増大の制約となっていた.開発された不燃性の有機電解液は最も有効な本質的安全対策となり得るもので,電池形状やサイズの制限が解除され,安全システムの緩和も可能となる.これにより,電池のエネルギー密度を大幅に増大させるための技術開発が進み,長寿命が求められる電気自動車やスマートグリッドに向け,実用に耐え得る新型二次電池の開発加速が期待されるという.

(注)Jianhui Wang, Yuki Yamada, Keitaro Sodeyama, Eriko Watanabe, Koji Takada, Yoshitaka Tateyama, and Atsuo Yamada, "Fire-extinguishing organic electrolytes for safe batteries", Nature Energy (2017), doi: 10.1038/s41560-017-0033-8; Published online: 27 November 2017