イオン液体︓⼆次電池・省エネデバイスの開発に貢献する第3の液体
⼯学部 化学バイオ系学科 名誉教授 伊藤敏幸・教授 野上敏材

はじめに︓
イオン液体はこの30年ほどで急速な進歩と注⽬を集めた第3の液体です。塩でありながら、液体であり熱にも強く⽤途に応じた物性をデザインできるのも⼤きな魅⼒です。そのイオン液体から広がる研究のフロンティ
アは現在も拡⼤を続けていると⾔っても過⾔ではありません。
我々はイオン液体をいち早く酵素反応をはじめとする合成反応に展開しました。また、イオ
イオン液体から広がる物質・エネルギー科学研究のフロンティア
ン液体を⽤いたバイオマスの分離や炭酸ガスの吸収、最近では除湿のための液式デシカントへの利⽤も検討しています。⼈類が限りある資源やエネルギーを有効利⽤する上で、イオン液体が活躍できるフィールドは無 限 に あ り ま す 。 さ ら に 抵 抗 可 変 メ モ リ の ⼀ 種 で あ る Conducting Bridge Random
Access Memory（CB-RAM）といった電⼦デバイスにも有効であることが明らかになってきました。我々はイオン液体の有⽤性と可能性を信じ、⽇々研究に取り組んでいます。
研究概要:
・イオン液体の電解質としての可能性に着⽬し、ケイ素負極やナトリウムイオンを電荷キャリアに⽤いた次世代⼆次電池の開発に取り組んでいます。
・ 次世代メモリとして注⽬されるCB-RAM⽤の動作電圧の低減や動作回数の向上を⽬的としたイオン液体の開発に取り組んでいます。
・省エネ型除湿機として期待される液式デシカント⽤イオン液体を開発しています。
・イオン液体中の酵素反応に関するパイオニアであり、酵素をイオン液体でコーティングすることで、酵素活性や選択性の制御にも取り組んできました。

【最近の主な研究成果】
・イオン液体の側鎖に酸素原⼦を導⼊することで物性が変化すること、特に導⼊位置の影響について詳細な検討を⾏い、粘度や熱的安定性に対する効果を明らかにしました（参考論⽂１）。
・CB-RAMに⽤いるイオン液体に対して銅-グライム塩を添加することで、セット電圧（⾼抵抗状態から低抵抗状態へと移る際に要する電圧）の低電圧化と均⼀化に成功しました（参考論⽂２） 。
・従来の液式デシカント⽤塩化リチウム⽔溶液と⽐較するとイオン液体の⾼い吸湿性と低い⾦属腐⾷性から将来的にイオン液体へと置き換えられる可能性が⽰された（参考論⽂3）。
・アルキルPEG硫酸アニオンと様々なカチオンとを組合わせたイオン液体でリパーゼのコーティングを⾏い2年間に渡ってリサイクルして反応を実施しました（参考論⽂4）。

【１．⼆次電池電解液への展開】

イオン液体の 導電性・難燃性といった特徴は⼆次電池電解液への応⽤を検討する上での⼤きなモチベーションになっています。その⼀⽅で、数多くの研究グループが参⼊している競争の厳しい研究分野でもあります。そこで我々は坂⼝教授（⿃取⼤学）らとの共同で、次世代の電池活物質として期待されるケイ素負極や枯渇や価格変動の⼼配がないナトリウムイオンを電荷キャリアに⽤いた⼆次電池へのイオン液体の利⽤を検討してきました。また、これまでに合成してきたイオン液体の効果を⾒極め、新規イオン液体の設計指針を得るた
めにも、酸素などのヘテロ原⼦がイオン液体の物性に与える影響の解明は不可⽋です。今回の検討では置換位置の異なるイオン液体を全て合成し、正電荷を有するアンモニウムカチオンの窒素原⼦からの距離が近すぎても（熱的安定性が低下）、遠すぎても（粘度が上昇）好ましくないことを明らかにしました。⼆次電池⽤イオン液体として、あらゆる要求性能を⾼いレベルで満たすような新規イオン液体の開発にチャレンジしています。

【2．CR-RAMへの展開】
CB-RAMはフィラメントと呼ばれる原⼦レベルでの細線がナノ細孔内部で形成・切断されるプロセスが繰り返されて、低抵抗・⾼抵抗状態を実現しています。安定かつ低い動作電圧で繰り返し動作することが求められていますが、フィラメントの形成には⽔分⼦などの寄与も⽰唆されています。そこ
で我々はイオン液体を添加して評価を⾏い、イオン液体やイオン液体に加えた⾦属イオンがポジティブな効果（動作電圧の低下と均⼀化）をもたらすことを⾒出してきました。これ
はイオン液体などを添加したウェットな電⼦デバイスの有効性を⽰唆する画期的な成果の⼀つです。
現在は⽊下准教授（東京理⼤）や産総研とも協⼒して、より実際のデバイスに近い状態での評価を実施すべく準備を開始しています。

【3．液式デシカントへの展開】

液式デシカントにより除湿する仕組み

銅探針を⽤いたCB-RAM評価系の模式図

冷房温度の28℃設定などが省エネの観点から呼びかけられて久しいですが、その鍵は除湿が握ると⾔っても過⾔ではありません。イオン液体で効率的な除湿と吸湿後の繰り返し再⽣や装置配管の防⾷が同時に達成出来れば、全ての除湿機が液式デシカントに置き換わるかもしれません。
そこで我々はイオン液体の吸湿性を逆⼿に取り、イオン液体を⽤いた液式デシカントの開発に着⼿しました。
その結果、イオン液体[P4441][DMPO4]が従来の塩化リチウム⽔溶液が抱えている腐⾷の問題を解決しつつ、⾼い吸湿性能を満たす液式デシカント⽤イオン液体として有⽤であることを⾒出しました。現在、さらに⾼性能で腐⾷性の無いイオン液体の開発に取り組んでいます。

【4．酵素反応への展開】
我々はイオン液体中での酵素反応のパイオニアであり、イオン液体を溶媒に⽤いることで酵素の回収再利⽤といった従来のイオン液体中での反応のメリットに加えて、通常の有機溶媒であれば不可能な減圧条件下での酵素反応を実施しています。また最近ではイオン液体を酵素（リパーゼ）にコーティングすることで、活性の保持だけでなく活性の向上も実現しており、2年間に渡る⻑期繰り返し再利⽤も達成しています。

【謝辞】

⽂部科学省特別研究プロジェクトや科学研究費補助⾦などによるご⽀援を受けて研究を実施することが出来ました。各⽅⾯からのご⽀援に対し、この場をお借りして厚くお礼申し上げます。なお、⼆次電池⽤イオン液体の開発は坂⼝教授（⿃取⼤学）らとの共同研究であり、CB-RAM⽤イオン液体の開発は⽊下准教授（東京理科⼤学、元⿃取⼤）らとの共同研究、液式デシカントの開発は中部電⼒との共同研究です。また、レドックスフロー電池⽤イオン液体の開発は京都技術科学センター・⿃取県環境学術研究等振興事業・加藤科学振興会から研究助成に⼼から感謝申し上げます。

【参考論⽂】(1) Nokami, Toshiki; Yamashita, Takuya; Komura, Takuro; Handa, Naoyuki; Shimizu, Masahiro; Yamaguchi,Kazuya; Domi, Yasuhiro; Usui, Hiroyuki; Sakaguchi Hiroki; Itoh, Toshiyuki, Ether Oxygen Atom Effects in Alkyl
Side Chains on Physical Properties of Piperidinium Ionic Liquids, Faraday Discussions 206, 523-534, 2018
(2) Yamaoka, Hiroki; Yamashita, Takuya; Harada, Akinori; Sakaguchi, Atsushi; Kinoshita, Kentaro; Kishida,Satoru; Hayase, Shuichi; Nokami, Toshiki; Itoh, Toshiyuki, Significantly Improved Performance of a
Conducting-bridge Random Access Memory (CB-RAM) Device Using Copper Containing Glyme Salt, Chemistry
Letters, 46, 12, 1832-1835, 2017(3) Watanabe, Haruki; Komura, Takuro; Matsumoto, Ryo; Ito, Kenta; Nakayama, Hiroshi; Nokami, Toshiki; Itoh,Toshiyuki, Design of Ionic Liquids as Liquid Desiccant for an Air Conditioning System, Green Energy &Environment, 4, 2, 139-145, 2019(4) Nishihara, Takashi; Shiomi, Ayaka; Kadotani, Shiho; Nokami, Toshiki; Itoh, Toshiyuki, Enhanced activity andremarkable improved stability of a Burkholderiacepacia lipase by the coating with a triazoliumalkyl-PEG sulfate
ionic liquid, Green Chemistry, 19, 21, 5250-5256, 2017