室温で実用的な特性を実現したLiイオン電池用 高分子固体電解質の合成に成功 ミクロ多孔膜と光架橋高分子電解質の複合化で達成

室温で実用的な特性を実現したLiイオン電池用高分子固体電解質の合成に成功　ミクロ多孔膜と光架橋高分子電解質の複合化で達成

2022年8月18日 11:00 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所　准教授　藪浩
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

室温で実用的なLiイオン伝導度注1を持つ高分子固体電解質^注2の合成に成功
ミクロンサイズの多孔膜と光架橋性ポリエチレンオキシド（PEG）の複合化により室温での高い性能発現とLiイオンの拡散を制御
実用的な広い電位窓^注1と高いLiイオン輸率^注1を実現
多孔膜を電解質中に形成することでデンドライト^注3形成の抑止効果にも期待

【概要】

リチウムイオン二次電池（LIB）はスマートフォンや電気自動車をはじめ、現代のITC社会を支える基盤となる代表的な蓄電池です。LIBはLiイオンが正極と負極の間で行き来することで充放電を繰り返しますが、その通路となるのがLiイオン電解質です。通常、Liイオン電解質は耐電圧性やイオン伝導度の関係から、液体のエチレンカーボネート（EC）などの有機電解質やそれらのゲルが使われてきました。しかしながら液体やゲルは可燃性であることから、より安全な高分子の固体電解質への転換が期待されています。

東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の藪浩准教授（ジュニアPI、東北大学ディスティングイッシュトリサーチャー、同大学多元物質科学研究所兼務）、グレワルマンジットシン助手、および同大学金属材料研究所の木須一彰助教と折茂慎一教授（AIMR所長）の研究グループは、ミクロンサイズの孔がハニカム（蜂の巣）状に空いた厚さ数ミクロンの高分子多孔膜と、光架橋性ポリエチレングリコール（PEG）系高分子電解質を複合化することで、Liイオン伝導度が液体と同等で実用的に十分な10^-4 S/cmクラスで、広い電位窓（4.7 V）、高いLiイオン輸率（0.39）を実現しました（図1）。本高分子固体電解質は電解質として高い性能を示すだけでなく、多孔膜を内包していることから、発火の原因となるLiデンドライト（樹状結晶）形成の抑止などにも効果があると期待されます。

すでに関連特許は出願済みであり、今後電池や電池部材メーカーなどと共に実用化に向けた取り組みを進めます。

本研究成果は、現地時間の2022年8月13日に米国科学誌「iScience」のオンライン速報版に掲載されました。

図1．作製した高分子電解質の特徴

【用語解説】

注1.　畜電池の特性（イオン電導度、イオン輸率、電位窓）
イオン伝導度は、固体高分子電解質膜中を流れることのできるイオン全体の伝導度を示し、イオン伝導度の内、リチウムイオンが担う割合のことをリチウムイオン輸率という。電位窓は電解液や溶媒などが電気分解などを起こさずに使える電位の範囲であり、電極の種類や温度に依存する。リチウムイオン電池に適した特性はイオン電導度が10^-4 S/cm以上、イオン輸率は高いほど良く、従来の固体高分子電解質では0.10程度、電位窓は4.0 V以上。

注2.　固体電解質
イオン伝導性を持つ固体であり、耐衝撃性や発火の危険性が低く、充放電時間を短くすることができることから、リチウムイオンを伝導する固体電解質を用いたリチウム電池は次世代電池として期待されている一方、イオン伝導度が低いという課題がある。セラミクスや無機材料の結晶からなる無機固体電解質と、有機高分子からなる高分子固体電解質がある。

注3.　デンドライト（樹状結晶）
電池の充電時に固体リチウムが樹状に結晶成長したもの。デンドライトが成長すると、バッテリー性能の劣化や内部でのショートを引き起こすことがあり、多くの場合発火の原因となる。

詳細（プレスリリース本文）