フレキシブル固体蓄電池: Liイオン電池・他の金属イオン電池への挑戦

　Liイオン二次電池に代表されるエネルギー貯蔵デバイスは、現代の社会には必要不可欠です。近年では、さらなる高エネルギー密度化や長時間動作に対するニーズが高まり、将来の自動車産業への本格的な実用化の流れもあって、基礎研究の確立やブレークスルーに対する期待は極めて大きくなっています。このような社会的背景の中、電解質の「完全固体化」に関する研究が改めて注目されています。高いイオン伝導性を示す無機（ガラス）固体電解質の研究開発はその代表例で、最近ではリチウム空気電池のような次世代電池の研究も本格化しています。この電解質の固体化は、従来の電解液系では達成できないデバイスの安全性（液体の漏洩･揮発、引火･爆発の危険性）の改善や軽量化につながる重要な研究です。一方、固体高分子電解質(SPE)は、固体材料としての安全性に加え、無機系では難のある加工性・柔軟性に富み、さらなるデバイスの軽量化や薄膜化も可能にする新しい電解質材料です。将来的にはフレキシブル蓄電池の実現など、次世代エレクトロニクス産業にも貢献する新材料としての期待が集まります。
 
　富永研では、特異的なイオン伝導挙動を示すポリカーボネート型電解質を用いたコインセルの作製（左図上の例, 正極：LiFePO4, 負極：Li）および電池特性評価（左図下）を行っています [1,2]。P(EO/PO)-LiFSI電解質（5 mol%）およびPEC-LiFSI電解質（188 mol%）の室温における3サイクル目の充放電曲線を左図下に示します。エーテル型のP(EO/PO)電解質（青線）は、40℃付近にEO部の結晶化に基づく部分融解ピークを有することから、室温付近におけるイオン伝導度は10-5 S/cmオーダー程度です。そのため、P(EO/PO)電解質の放電容量は60 mAh/g程度となっています。一方、PEC型電解質の充放電カーブ（赤線）は3.4 V付近にLiの析出/溶解に基づく明瞭なプラトーを示し、120 mAh/g近くの高い放電容量を示すことが分かりました [2]。この放電容量の違いには、それぞれの電解質のLiイオン輸率（t+）が大きく影響していると考えられます。ポリエーテルは、一般的にはt+値は0.1~0.4程度と低く、Liイオンのエーテル鎖による強固な溶媒和によってアニオン伝導に大きく依存します。そのため、電池特性はアニオンの電極近傍での蓄積などによって低下することが考えられます。一方のポリカーボネート型は0.5以上の高いt+を示すことが分かっており、このことが優れた充放電特性に影響を与えていると考察されます。