イオン液体

コイン型電池ラミネート電池

イオン液体を用いたコイン型及びラミネート型リチウム二次電池（試作品）

安全で高性能な電力貯蔵用電池を作る―― イオン液体を用いたリチウム二次電池の開発 ――■ 新しい材料「イオン液体」■ 高性能二次電池の実現に光明■ 夢の電池の実現に向けて● ひとこと 材料科学研究所 材料物性・創製領域 研究員 関 志朗

新しい材料「イオン液体」
リチウム二次電池＊1は、現在ではノート型パソコンや携帯電話の小型電池など、広く社会で使われるようになっており、電気自動車用電源などとしても研究・開発が進められています。
電力中央研究所では、従来から将来有望なリチウム二次電池の利用法として、一般家庭にも置くことのできる小型の「定置用電力貯蔵システム」を検討してきました。このため、これまで電池に用いられてきた有機電解液を固体電解質に置き換え、高い安全性と性能を兼ね備えた「全固体型リチウムポリマー二次電池」の開発を続けてきました。そして現在では、その固体電解質に加え、近年世界中で研究開発が盛んになってきた「イオン液体」を用い、リチウム二次電池を一層高性能で安全にするための研究開発を行っています。
（ 「二次電池」＝繰返し充放電して使用できる電池のこと）＊1■ 注目を浴びる「イオン液体」■ リチウム二次電池への応用「イオン液体」は、食塩のように陽イオンと当研究所では、このイオン液体をリチウム二陰イオンで構成されているものの、その融点が次電池用の電解質に用いられれば、作製方法等低いため常温でも固体（結晶）の形態をとらず、は従来の有機電解液を用いた電池と同様である液体で存在する物質のことをいいます。

ものの、その性質から可燃性の有機電解液に比イオン液体は、1990年代前半になってから海外で見つけられた新しい素材で、「高イオン伝導べ発火しにくいなど、本質的により安全な電池ができるものとして着目しました。
（図２）

性」
「難燃性」
「難揮発性」「熱的に安定」など優

そこで、電気化学的に安定と考えられる四級れた特徴を備えています。また、基本構成であアンモニウム系イオン液体（DEMETFSI）につる陽イオンと陰イオン（図１）の種類や組合わいて、リチウム塩（LiTFSI）との混合物を電解せを換えることで、限りなく多様な化合物が創質に用いた電池の試作を試みました。

製できます。

その結果、通常の有機電解液には及ばないもこのため、現在世界各国で、こうしたイオンのの、比較的高い導電率を示すことなど、電池液体の特徴を利用し、さまざまな産業応用を目用電解質としての条件を満たすことがわかった

指した研究が進められています。

ため、高容量・高電圧化など、さらに性能向上に向けた研究に本格的に取り組みました。

陽イオン
N

N

H3C

アルミニウム集電体

CH2CH3正極シート（正極活物質＋導電助剤＋バインダー高分子）
陰イオン

Br -

BF4-

陽イオンの例

N(SO2CF3)2-NNF2x-1Cx

R3N

N

R2

R1

Imidazolium

Pyridinium

R1

R1
R2

図1N

R2R2

Piperidinium

PSO
NOS

CxF2x-1OImide

イオン液体
銅集電体

BF4-R1R3

金属リチウム負極

陰イオンの例O

R1

高分子固体電解質 or イオン液体

R3

R4R4Ammonium

Phosphonium

PF6.
.
.
.

イオン液体の外観と各種イオンの化学構造

高分子固体電解質

図2

当所が開発している高安全電池の断面図

高性能二次電池の実現に光明■ 試作電池の基礎特性は良好■ 電極と電解質界面を改善

次の段階として、電解質にDEMETFSIと電池の高容量化、更なる長期運転特性の改善

LiTFSIの混合物、正極材料にコバルト酸リチウには、高電圧での可逆性改善が重要となります。

ム（LiCoO2）、負極材料には金属リチウム箔を用

この性能向上手法の一つとして、正極とイオいたコイン型電池を試作しました。また作製に

ン液体界面の安定性向上のため、スプレーコー

あたっては、製造過程での不純物の混入が起こ

ト法という方式で、LiCoO2正極表面に安定な無らないよう超高純度アルゴングローブボックス

機酸化物（酸化ジルコニウム：ZrO2）を被覆し内での組込作業とし、さらに電解質が正極シーた電池を作製しました。

トに十分染み込むよう、この電池を60℃の温度

その結果、本電池では4.6Vまでの充放電の安で一晩放置（熱エージング）するなど、当所独定性が飛躍的に改善し、それまでの上限4.2Vで自の工夫を取り入れ、その後室温で充放電試験の電池に比較して可逆容量が30%増大し、初期を実施しました。

容量は180mAh/gを示しました。さらに、充放電

その結果、正極あたりの初期容量は約反応の可逆性を示すクーロン効率は未被覆電池

140mAh/g、充放電100サイクル経過時でも約より高い値を示し、安全性を兼ね備えた高電120mAh/gと高い容量を維持し、クーロン効率圧・高容量電池を実現できる可能性を示しまし（電気の出し入れの比）は40サイクル経過時でほた（図４）。

ぼ100％となり、これまでにない高い可逆性を示しました（図３）。

電池容量／mAhg-1160

転動流動層形成120
正極電解質充電80ジルコニアゾル
スプレー

負極

充電容量

熱風供給

放電

放電容量010210098
H3CH2C
9694

100nm

2400

図320CH3+
N CH2CH3O
F3CS

放電容量／mAhg-1

クローン効率／％ZrO2被覆LiCoO2ZrO2LiCoO2

LiCoO2粉末40

未被覆
LiCoO2
LiCoO2

スプレーコート＆乾燥O
N-S

CH2CH2OCH3O
DEMETFSIO

6040
繰り返し充放電回数80CF3イオン液体DEMETFSIを用いたリチウム二次電池の基礎特性

100

未被覆LiCoO2
ZrO2被覆LiCoO2

1801206000

図4153045
繰り返し充放電回数60

ZrO2被覆による電池性能改善効果

夢の電池の実現に向けて■ 他のイオン液体でもチャレンジ■ 広がるイオン液体への期待

イオン液体は、分子設計を工夫し陽イオンと新しい材料であるイオン液体には、まだ未解

陰イオンの種類と組合せを代えれば、従来にな明な部分が多いものの、これまでの物質にないい新たな性能を持った電解質を創製できる可能特性やその設計・改良のしやすさから、現在は性がある、「デザイナーズ溶媒」などとも呼ばれ色素増感太陽電池や燃料電池などエネルギー変ています。このため、現在は四級アンモニウム

換・貯蔵デバイスのための電解質、及び潤滑油系イオン液体に代わる、新たなイオン液体の探や化学合成溶媒といった各種工業用材料として求も進めています。

も大きな期待が寄せられています。

例えば、陽イオンに「イミダゾリウム」といリチウム二次電池においても、最適な製造法

う化学物質を用いたイオン液体で作った試作電を確立し、より適切なイオン液体の構造を検討

池では、分子の設計を工夫することにより、充すれば、現在の電池性能をはるかに超える、高放電サイクル特性やクーロン効率に改善が見ら性能次世代型電池を作れる可能性があります。

れることもわかってきました。
（図５）

当研究所ではこれからも近い将来一般家庭な

この結果、今後は各種イオン液体を用いた場

どでも安全に使用することができる、高性能な合の電池の特性や性能を把握するとともに、分大型電力貯蔵用電池の実現を目指し、開発に取子設計に関する検討なども重要であることがわり組んでいきます。

かりました。

● ひとこと放電容量／mAhg-1

15012090

分子設計のコンセプト

60NR1NR23000

R3 :R3
保護204060
繰り返し充放電回数-CH3-C2H5(R1 : -CH3, R2 : -H)

図5延伸-C4H980-C6H13

R1 : -CH3, R2 : -CH3, R3 : -C3H7

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No.436 25年間の世界の気候を精緻に再現
No.435 一人暮らしのお年寄りを見守る

リチウム二次電池は携
帯電話やノートPCなど、私達の生活にとって欠かすことの出来ない生活ツールとなっています。
リチウム二次電池の便利さを、夜間電力貯蔵などといった電力負荷平準化や、風力・太陽光など自然エネルギーの変動調材料科学研究所
整などに生かすことが出
材料物性・創製領域
研究員
来れば、より便利で環境に優しい生活を送ること
関 志朗ができると思います。
安全かつ高性能なリチウム二次電池といった大型エネルギー貯蔵・変換デバイスの実現を見据えながら、基礎・応用の両方の観点から研究・開発を推進していきたいと考えています。

No.434 地域経済の成長に対する産業集積の効果を検証
No.433 電気自動車社会はどのような効果をもたらすか

2006年12月13日発行〒100-8126（財）電力中央研究所 広報グループ
東京都千代田区大手町1-6-1（大手町ビル7階） TEL.（03）3201-6601 FAX.（03）3287-2863
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