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2010.03.31
 
国立大学法人 名古屋大学

リチウムイオン電池の安全性を飛躍的に高める
有機・無機ハイブリッド型イオンゲル電解質を開発


 NEDOの産業技術研究助成事業の一環として,名古屋大学大学院生命農学研究科 応用分子生命科学専攻の松見紀佳准教授は,電気自動車などに搭載されるリチウムイオン二次電池の安全性を飛躍的に向上させる電解質(注1)の開発に成功しました。この電解質はまったく新しいタイプの有機・無機ハイブリッド材料で,イオン液体やホウ素化合物などの難燃性成分と多糖類(注2)からなるハイブリッド型電解質の採用により,安全性を飛躍的に高めつつイオン伝導度10-3Scm-1以上を達成しています。燃料電池など環境・エネルギー分野への応用にも期待がもたれる技術です。

図1 リチウムイオン電池の安全性を向上させる難燃性イオンゲル電解質の概略図
図1 リチウムイオン電池の安全性を向上させる難燃性イオンゲル電解質の概略図
多糖とホウ素との相互作用を利用した新しい有機・無機ハイブリッド型イオンゲルの例。

(注1)
電解質とは,溶媒中に溶解した際に陽イオンと陰イオンに電離し,十分に高い電圧をかけることにより電気分解が可能な物質のことです。溶媒中でその物質が電離し,結果として電場の存在下でイオンが移動する物質のことを呼びます。一般に酸や塩基は電解質であり,適切な電極と合わせて起電力を生じるものが電池に利用されます。
(注2)
ナノコンポジットとは,所望の特性を実現するために,ある素材を1〜100ナノメートル単位で粒子化したものを別の素材と混合し創製される複合材料の総称のことです。


1.背景及び研究概要
 地球温暖化が一途をたどる現在,省エネルギーやエネルギーの有効利用による温暖化ガス排出の削減が急務となっています。エネルギー有効利用においては,ハイブリッド車や電気自動車など環境対応車でリチウムイオン二次電池の活用が始まりつつあり,正極や負極と共に一定の安全性をもたらす電解質が求められています。リチウムイオン電池を構成するための電解質としては,エチレンカーボネートとジメトキシエタンの混合溶媒をはじめとする各種有機溶媒やそれを含有する高分子ゲルが一般的です。しかしそれらの電解質は,揮発性が高いことに加えて可燃性が高く,電池に短絡が生じた場合に破裂や爆破するなど安全性に多くの課題が残っているのが現状です。
 そこで,名古屋大学大学院生命農学研究科では,有機高分子成分をホウ素化することで難燃性の大幅な向上と,イオン伝導特性をはじめとする諸物性などの課題解決とを同時に図ることが可能であると考え,従来の電解質材料で課題となっていた安全性を飛躍的に高めるリチウムイオン電池用電解質材料の開発に成功しました。近年,難燃性のイオン液体を含むイオンゲルはリチウムイオン二次電池などのイオンデバイスの安全性を高めることが可能な材料として着目されており,一方で高解離性のリチウムボレート塩の電解質への導入は優れたイオン伝導特性に繋がることが知られています。この研究では,ある種のイオン液体に良好な溶解性を示し,かつボロン酸誘導体と反応してボレート構造を与えるセルロースを支持高分子材料としてイオンゲルの作成を検討,実施しました。例えば,イオン液体中で水酸化リチウム水溶液の存在下,セルロースとボロン酸誘導体を縮合させたところ,簡便に目的のイオンゲル電解質が得られたのみならず,常温において10-3Scm-1を超える優れたイオン伝導特性が観測され,系によってはイオン液体自体の値を上回りました。これは高解離性のペンタフルオロフェニルボレート塩の導入が系内のイオン数を増加させたためであることが解析により分かりました。実際に,固体化した後でもイオン液体自身に匹敵するイオン伝導度を観測しています。多糖から得られた有機ホウ素系イオンゲルは,まったく新しいタイプの有機・無機ハイブリッド材料と見なすことができ,多方面での応用が期待されます。これまで知られていたホウ素化セルロースは難燃材として利用されてきましたが,表面処理を行っていただけであり,分子レベルでの有機・無機ハイブリッド材料ではありませんでした。さらに,本系は難燃性のイオン液体との複合材料であることから特に優れた耐熱特性が期待されており,今後さらに研究を進めていく予定です。


2.競合技術への強み
この技術には,次のような強みがあります。
(1)
高い安全性
ホウ素の導入により有機成分にも難燃性を付与することが可能であるため,破裂や爆発の危険性が低く,高い安全性のリチウムイオン電池の構築に役立つと期待されます。
(2)
イオン伝導度などの向上を実現
多糖とホウ素の相互作用を利用した新しいタイプの有機・無機ハイブリッド型電解質の設計により,イオン伝導特性(イオン伝導度,リチウムイオン輸率)の向上に効果が実証されている有機ホウ素ユニットを安定な形でイオンゲル電解質に導入できるメリットがあります。イオン伝導性は,現在実験室レベルで10-3Scm-1台まで得られています。
(3) 多糖の利用により,簡便なホウ素の導入が可能
多糖とホウ素の塩基性条件下での縮合により,極めて簡便にホウ素を導入することが可能です。

表1 本技術と従来手法との比較表
表1 本技術と従来手法との比較表


3.今後の展望
 今後,名古屋大学では,本技術によるリチウムイオン二次電池用電解質技術の実用化を目指して材料の熱安定性(400℃まで)やイオン伝導性(10-3Scm-1以上),リチウムイオン輸送選択性の向上を進めて行きます。また,コストの低減課題への対応も進めます。現在注力しているリチウムイオン二次電池に加え,将来的には燃料電池などの新エネルギー技術やエレクトロクロミック素子(注3)など,電子材料分野で広く利用される技術としても応用できることを目指します。特に,高難燃性ハイブリッド電解質の実用化に向けた課題に関して,リチウムイオン二次電池の技術開発・商品開発に関心もしくは実績を有する企業や組織などとの意見交換や共同開発,委託研究を提案します。

(注3)
エレクトロクロミック素子とは,電圧印加により色や光透過度や色調の可逆的な変化を生じる物質のことです。主に調光や表示に利用され,調光の場合,ブラインドやカーテンが不要で光の加減ができる窓などが実現できます。


4.研究者(松見紀佳(のりよし)准教授)の略歴
1995年 京都大学工学部合成化学科卒業
1997年 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻博士前期課程修了
2000年 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻博士後期課程修了
2000年 東京農工大学工学部生命工学科・助手
2004年 東京農工大学大学院共生科学技術研究部・助手
2006年 名古屋大学大学院生命農学研究科・助教授
2007年〜 名古屋大学大学院生命農学研究科・准教授
(兼任)
1999〜2000年 日本学術振興会特別研究員(京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻)


5.お問い合わせ先
  名古屋大学 大学院生命農学研究科 応用分子生命科学専攻 松見紀佳
  TEL:052-789-4138  FAX: 052-789-4141  
E-mail:メールアドレス
  研究室HP:http://www.agr.nagoya-u.ac.jp/~kobunshi/
  名古屋大学 大学院生命農学研究科 広報担当(庶務掛) 鈴木幸夫
  TEL:052-789-4585  FAX:052-789-4005
E-mail:メールアドレス
※大学広報へのお問い合わせの際は上記広報担当(庶務掛)へご連絡下さい


【提案書】
名古屋大学大学院生命農学研究科からの提案
難燃性の有機・無機ハイブリッド型イオンゲル電解質の新しい設計技術に関する提案





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