触媒・電池材料領域

プロジェクト名:元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞（触媒・電池材料研究拠点；ESICB）

二次電池用消火性有機電解液の開発

可燃性有機電解液による電池の発火・爆発事故

スマートフォンやパソコンなどに搭載される二次電池（充電式電池）は、より高いエネルギー密度を実現するために、さまざまな研究が活発に行われています。一方で、可燃性の有機電解液に起因するリチウムイオン電池の発火や爆発事故が多く報告されています。これまで難燃性が付与されたさまざまなタイプの電解液・電解質が研究されてきましたが、実用化にはいたっていません。また、既存電解液への難燃性溶媒の添加も検討されてきましたが、電池の充放電可能回数が大きく低下することが課題となっていました。

自己消火機能をもつ高濃度電解液を開発

触媒・電池材料研究拠点では、以前から高濃度電解液の研究を行ってきました。電解液はイオン伝導度をベースに濃度が決められています。通常は1mol/Lの濃度が選択されるのですが、われわれは3mol/Lという非常に高濃度の電解液が有する特異な構造や物性に着目し、これを応用することによって、消火機能を備える高性能有機電解液を開発しました。具体的には、この電解液は難燃性であるリン酸トリメチル（TMP）と電解質塩（LiN(SO₂F)₂(LiFSA) or NaN(SO₂F)₂(NaFSA)）のみから構成され、、自己消火機能を有するとともに、少なくとも200℃付近まで揮発せず引火点をもちません（図1）。さらに、200℃以上への温度上昇時に発生する蒸気も消火剤になることから、電池の発火リスクが積極的に低減されます。
また、これまで必須とされてきた炭酸エステル溶媒（可燃性）を一切使用していないにもかかわらず、リチウムイオン電池用の黒鉛負極およびナトリウムイオン電池用のハードカーボン負極について、従来の電解液・電解質による常識をはるかに超えての長期にわたる安定充放電サイクルが可能であることを確認しました。解析の結果、アニオン由来の安定な不動態被膜が形成されることがわかり、これが安定なくりかえし充放電を可能にしていると考えられます。
本研究で見いだされた消火性有機電解液は、これまでジレンマとされてきた二次電池の高エネルギー密度化や大型化と、高度な安全性の確保の両立を可能にするものです。

図1　燃焼性の比較。一般的な電解液に火を近づけると引火して火炎を発生するが、新規高濃度電解液には着火しないばかりか、逆に消火することもできる。

図2　ナトリウムイオン電池用ハードカーボン負極の充放電サイクル。開発した有機電解液（3.3M NaFSA/TMP）は1200回以上（時間にして１年半以上）の安定な充放電が可能。