ポイント
- リチウムイオン電池よりもはるかに高いエネルギー密度を実現するための、リチウム金属電極の劣化を抑制する新たな方向性を見いだした。
- リチウム金属と電解液との副反応を保護被膜で抑制するこれまでの方法に対し、リチウム金属の反応活性そのものを弱めることの重要性を指摘した。
- 機械学習によりリチウム金属の反応活性を弱める電解液の特徴を抽出し、これに合致する複数の新規有望電解液を提示した。
リチウムイオン電池は、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。これを実現する有望な方法として、現在負極（マイナス極）材料に使用されている炭素材料を、より電気を効率的に蓄えられるリチウム金属に置き換える試みが継続的に行われているが、実用化レベルでの安定作動の実現には至っていない。その原因として挙げられてきたのが、リチウム金属と電解液の間で起こる副反応である。
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（研究当時、現在：大阪大学 教授）、竹中 規雄 特任講師、コ ソンジェ 助教らのグループは、名古屋工業大学 大学院工学研究科の中山 将伸 教授と協力し、従来の保護被膜形成によって副反応を抑制する手法ではなく、リチウム金属の反応活性そのものを弱めるための電解液設計という抜本的施策によって、リチウム金属の劣化を抑制しながら、リチウムイオンとリチウム金属の間の溶解析出反応を十分に安定動作させることに成功した。分子動力学計算や量子化学計算を用いて電解液のさまざまな特徴量を抽出した上で、リチウム金属の反応活性に対する影響度を機械学習により評価した結果、電解液中に（ｉ）リチウムイオンが高密度に存在すること、（ｉｉ）リチウムとアニオンが近接する構造をとること、および（ｉｉｉ）上記（ｉ）（ｉｉ）を満たすクラスター領域が少なくとも存在すること、の３点が重要であることが分かった。また、これらの基準に合致する複数の新規電解液が、実用レベルに迫る９９パーセント以上のクーロン効率を示した。これにより、リチウム金属をマイナス極に配する形式の、現状よりはるかに高いエネルギー密度を持つさまざまな新型蓄電池実現の可能性とともに、そのための明確な開発指針が示された。
本研究成果は、１０月２７日（英国夏時間）に英国の学術雑誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｅｎｅｒｇｙ」のオンライン版に掲載される。
本研究の一部は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）の先端的低炭素化技術開発（課題番号：ＪＰＭＪＡＬ１３０１）、日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別推進研究（課題番号：１５Ｈ０５７０１）、および文部科学省 データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト（課題番号：ＪＰＭＸＰ１１２１４６７５６１）による支援を受けて行われた。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（６２０ＫＢ）
＜論文タイトル＞
- “Electrode potential influences the reversibility of lithium metal anodes”
- ＤＯＩ：10.1038/s41560-022-01144-0
＜お問い合わせ先＞
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＜研究に関すること＞
山田 淳夫（ヤマダ アツオ）
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
Tel：03-5841-7295
E-mail：yamada
chemsys.t.u-tokyo.ac.jp山田 裕貴（ヤマダ ユウキ）
大阪大学 産業科学研究所 教授
Tel：06-6879-8520
E-mail：yamadasanken.osaka-u.ac.jp -
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
加藤 真一（カトウ シンイチ）
科学技術振興機構 未来創造研究開発推進部 低炭素研究推進グループ
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
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E-mail：alcajst.go.jp -
＜報道担当＞
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
Tel：03-5841-0235 Fax：03-5841-0529
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