成果報告書詳細
管理番号20110000000947
タイトル*平成22年度中間年報 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発 次世代技術開発 リチウムイオン液体を用いた安全性と高性能を兼ね備える蓄電システム構築
公開日2012/6/27
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人横浜国立大学
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約1. 研究開発の内容及び成果等
1.1 リチウムイオン液体の研究開発
本質的に安全性の高い高効率リチウム系二次電池蓄電システムを構築するためには、電解質の不燃化、固体化、さらには電極?電解質界面構造の最適化が不可欠である。リチウム電池用電解質として、イオン液体を溶媒に用いリチウム塩を添加した系は、電池の熱的安定性の向上を期待されるため、活発に研究されている。しかし、これらの電解質はリチウムイオン濃度(活量)が低い、リチウムイオン輸率が低い、濃度分極が起こるなどの課題も残る。
グライム-リチウム塩錯体は、カチオン構造がルイス酸(Li+)とルイス塩基(リチウムイオン配位子)からなる錯形成を利用していることを特徴とするリチウムイオン液体である。これまでに、リチウムイオンに配位できるトリグライム (G3; CH3O(CH2CH2O)3CH3)および テトラグライム (G4; CH3O(CH2CH2O)4CH3)をリチウムイオン配位子に、Li[N(SO2CF3)2] (LiTFSA)をリチウム塩として、配位子とリチウム塩を1:1で混合した等モル錯体 [Li(G3)1][TFSA] および [Li(G4)1][TFSA] は室温で液体であり、低蒸気圧、難燃性といったイオン液体類似の特性を示す事を見出した。これらの溶融錯体は、高いリチウムイオン濃度、高いリチウムイオン輸率、広い電位窓などの特徴も有し、4 V 級正極材料である LiCoO2 を用いた電池が安定に作動することを明らかにした。本年度はグライム-リチウム塩錯体電解液中における、(i)限界電流密度とレート特性の相関および (ii) 高電圧作動正極LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 の適用可能性を検討した。
英文要約Development of High-performance Battery System for Next-generation Vehicles
Next-generation technology development
Development of Electric Storage System with High Safety and Efficiency Using Ionic Fluid of Lithium Salt

The development of Li+ conducting electrolytes with thermal stability is promising for safe and non-flammable lithium secondary batteries. In this research, we have investigated the molecular design of glyme-Li salt complexes as electrolyte for the lithium secondary battery. The glyme-Li salt complexes, comprised of equimolar mixtures of a glyme (CH3O(CH2CH2O)n)CH3) and a Li salt, have the potential to be used as lithium ionic liquids. Certain glyme-Li salt complexes are liquid at ambient temperature and show high thermal stability, high lithium ion concentration, high lithium ion transference number and high oxidative stability. In this year, we investigated (i) the relationship between the transport properties and the charge-discharge rate capability of the lithium batteries and (ii) the compatibility of the glyme-Li salt complexes with high voltage cathodes.
Chronoamperometric measurements were carried out for Li | electrolyte/separator | Li symmetric cells. The steady state current increases as increasing the applied voltage up to 500 mV. At higher voltage than 500 mV, the steady state current does not depend on the cell voltage and becomes constant, indicating that the electrode reaction rate is determined by the diffusion process of Li(I). Because the glyme-lithium salt complexes have high lithium ion concentration and high Li(I) diffusion coefficient, the glyme-Li salt complex electrolytes are approximately one order of magnitude higher in the Li(I) diffusion-controlled current than conventional ionic liquids such as 0.64 M LiTFSA/DEMETFSA (DEME+; N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium). The discharge rate capability of the lithium batteries was demonstrated using Li | electrolyte/separator | LiCoO2 cell. The discharge capacity of the cell is close to the theoretical capacity. The discharge capacity of the cells at high rate depends on the electrolytes and is controlled by the Li(I) transport process. Thus, the charge-discharge rate capability of the cells has a close relationship with the limiting current density.
The potential window of the glyme-Li salt complex is estimated to be 0.0 – 4.8 V vs. Li/Li(I) by means of linear sweep voltammetry, indicating compatibility of the glyme-Li salt complex with the high voltage cathode. The charge-discharge operation of Li | the glyme-Li salt complex | LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 cell was performed with cut-off voltage of 4.6 V. The discharge capacity is ca. 180 mA h g-1 with good Coulombic efficiency higher than 99 %, suggesting that the oxidation decomposition of the electrolyte rarely occurs in the operating voltage. The stable charge-discharge performance of the cell indicates that the glyme-Li salt complex is applicable as a high voltage cathode.
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