V体育蓄电池能量密度的新方向 - 开发抑制锂金属劣化的方法 -

东京大学
V体育
日本科学技术振兴机构

1。主持人

Go Seong-jae（东京大学工学研究科化学系统工学系助理教授）
Norio Takenaka（东京大学工学研究科化学系统工学系特别讲师）
Hiroki Yamada（研究时：东京大学工学研究科化学系统工学系副教授/
现任：大阪大学产业科学研究所教授）
山田敦夫（东京大学工学研究科化学系统工学系教授）
Masanobu Nakayama（V体育工学研究科工学系教授）

2。演讲要点

◆我们发现了抑制锂金属电极劣化的新方向，以实现比锂离子电池高得多的能量密度。
◆与通过保护膜抑制锂金属和电解质之间的副反应的传统方法相比，我们指出了削弱锂金属本身的反应活性的重要性。
◆我们利用机器学习来提取削弱锂金属反应活性的电解质的特征，并提出了几种符合这些特征的新型有前途的电解质。

3。演示摘要

　锂离子电池（注1）是电动汽车、智能电网等实现低碳、可持续社会所必需的关键器件，社会对更高能量密度的需求日益增长。作为实现这一目标的一种有希望的方法，人们正在尝试用锂金属代替目前负极材料（注2）中使用的碳材料，锂金属可以更有效地储存电力，但尚未实现实用水平的稳定运行。其原因被认为是锂金属与电解液之间的副反应（注3）。
　山田厚夫教授、山田由纪副教授（研究时，现任大阪大学教授）、特聘讲师竹中纪夫、V体育工学研究生院中山正信教授、成材助理教授课题组通过设计电解液来削弱锂金属的反应活性，成功地使锂离子和锂金属之间的溶液沉淀反应足够稳定，同时抑制了锂金属的劣化。锂金属本身，而不是通过形成保护膜来抑制副反应的传统方法。在使用分子动力学计算和量子化学计算提取电解质的各种特征后，我们使用机器学习评估了锂金属对反应活性的影响程度。结果，我们发现电解质中的三点很重要：（i）锂离子以高密度存在，（ii）锂和阴离子具有紧密接近的结构，以及（iii）至少存在满足上述（i）和（ii）的簇区域。此外，多种符合这些标准的新型电解液的库伦效率已达到99%或更高（注4），接近实用水平。这使得实现各种新型蓄电池的可能性成为可能，这些新型蓄电池的能量密度比现有的锂金属放置在负极上的蓄电池高得多，并且为此目的提供了明确的开发指南。
　该研究成果于10月27日（英国夏令时）发表在英国学术期刊《

4。演示内容

研究背景

　近年来，为了同时实现环境保护和经济增长，全球出现了向低碳、可持续社会转型的趋势，采用太阳能、风能等可再生一次能源的发电系统的引入以及电动汽车的快速普及已成为世界各国的优先政策。为了实现这些目标，能够灵活接收电能的储电技术至关重要，而社会对更高能量密度的锂离子电池的需求也在不断增长，而锂离子电池是其中性能最好的。
　目前锂离子电池的负极放置碳材料来吸收锂离子。如果可以消除这种碳材料，并且可以沉积锂并以金属形式直接使用，则有可能显着V体育能量密度，并且研究已经进行了很长时间。然而，锂金属反应活性高，容易与电解液发生副反应，无法在离子态和金属态之间引起充分可逆的沉淀/溶解反应，其作为负极的应用被推迟。为了抑制副反应，已经开发了能够形成良好保护膜的电解质和添加剂，但尚未获得足够的效果，并且尚未投入实际使用。

研究内容

　该研究小组通过采用削弱锂金属本身反应活性的电解质设计手段，而不是通过形成保护膜来抑制副反应的传统方法，成功实现了稳定的可逆操作。
首先，通过开发一种定量、准确评估锂金属反应活性的实验方法，我们发现活性根据电解质的不同而有很大差异。因此，我们通过对74种电解质综合应用分子动力学计算和量子化学计算，提取了电解质的各种特征量，然后利用机器学习评估它们对实验获得的锂金属反应活性的影响。结果发现，与电解质中锂之间的距离和锂-阴离子距离有关的结构因素影响程度非常高，而与锂和溶剂之间的距离有关的结构因素以及与成分、电子态、分子性质等有关的因素影响程度较低。通过综合考虑分析结果，确定为了V体育沉淀-溶解反应的库仑效率同时削弱锂的反应活性，三点是重要的：(i)电解质中以高密度存在锂离子，(ii)锂和阴离子紧密接近的结构，以及(iii)至少存在满足上述(i)和(ii)的簇区域。此外，符合这些标准的几种新型电解质的库伦效率已达到99%或更高，接近实用水平。
　该研究为多年来一直依赖保护膜优化的锂金属电极提供了“通过电解质工程控制锂金属反应活性”的新视角和方法论，同时也揭示了基于数据的研究在电解质开发中的有效性。基本控制因素的添加为锂金属电极的可逆行为的显着改进开辟了空间，其中性能改进已达到稳定水平。

社会意义

　锂金属的溶解/沉淀反应不仅是当前锂离子电池具有显着能量密度的先决条件，也是锂硫电池、锂空气电池、全固态电池等各种高性能下一代电池系统优异性能指标的可能性。也就是说，如果锂金属的溶解和沉淀反应不实现高度可逆，未来很多电池技术将无法实现，而这是一项急需的技术。这项研究确定了实现实用级特性的新的关键控制因素，并给出了具体的优化实例，有望为下一代蓄电池技术的整体自下而上的发展做出巨大贡献。从长远来看，预计还将有助于电动汽车和智能电网系统的普及，从而有助于实现低碳、可持续的社会。

致谢

这项研究的部分内容得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 的先进低碳技术开发（项目编号：JPMJAL1301）和日本科学振兴会科学研究资助金的支持。该工作得到了特别推广研究（项目编号：15H05701）和文部科学省数据创建与利用材料研究开发项目（项目编号：JPMXP1121467561）的支持。

5。出版杂志

杂志名称：自然能源
论文标题：电极电位影响锂金属阳极的可逆性
作者：Seongjae Ko、Tomohiro Obukata、Tatau Shimada、Norio Takenaka、Masanobu Nakayama、Atsuo Yamada*、Yuki Yamada*
DOI 号：101038/s41560-022-01144-0
网址：

6。联系方式

关于研究和知识产权

东京大学工学研究科化学系统工学科
山田敦夫教授
电话：03-5841-7295
电子邮件：yamada[at]chemsystu-tokyoacjp

研究相关

大阪大学科学研究所
山田由纪教授
电话：06-6879-8520
电子邮件：yamada[at]sankenosaka-uacjp

V体育工学研究科工学部（生命与应用化学领域）
中山正信教授
电话：052-735-5189
电子邮件：nakayamamasanobu[at]nitechacjp

与举报相关的事宜

东京大学工学研究科公共关系办公室
电话：03-5841-0235、传真：03-5841-0529
电子邮件：kouhou[at]prtu-tokyoacjp

V体育企划公关科
电话：052-735-5647
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日本科学技术振兴机构公关部
电话：03-5214-8404、传真：03-5214-8432
电子邮件：jstkoho[at]jstgojp

关于 JST 业务

日本科学技术振兴机构未来创造研究开发推进部低碳研究推进组
加藤新一
电话：03-3512-3543 传真：03-3512-3533
电子邮件：alca[at]jstgojp

请将 *[at] 替换为 @。

7。词汇表

(注1)锂离子电池
一种可以反复充电和使用的蓄电池。当锂离子从正极移动到电解质再到负极时发生充电，当锂离子从负极移动到电解质再到正极时发生放电。由于它们比其他蓄电池具有更高的电压（目前约为24-38 V）和更高的能量密度，因此被广泛用作手机、笔记本电脑和电动汽车的电源。

(注2)负极材料
放置在电池负极端子上的物质，在放电过程中发挥释放存储的离子和电子的作用。锂离子电池使用碳材料来确保可逆性和安全性，并在充电过程中储存锂离子和电子。如果取消碳材料，将锂离子和电子直接转化为锂金属并储存起来，能量密度可以显着V体育，但由于反应可逆性较低（库仑效率，注4），尚未投入实际应用。

(注3)电解质
一种液体材料，可介导蓄电池正极和负极之间特定离子的移动。例如，锂离子电池的电解液是由溶剂分子、锂离子和阴离子分子组成的液体，是通过将锂盐溶解在有机溶剂中而制成的。

(注4)库仑效率
放电期间释放的锂离子和电子的数量与充电期间存储的锂离子和电子的数量的比率。 100%是理想的，但可能会因副反应等而下降。实际使用时至少需要999%或更高。

8。附件

图1：锂金属的沉淀/溶解反应的图像。绿色锂原子必须有效地重复电解质中离子态（左侧）和电极中中性态（右侧）之间的状态变化。

　

图2：锂金属具有高反应活性（低电位），与稳定电解质的副反应发生在较高电位区域（电位窗口内），降低了可逆性。为了防止这种情况，已经研究了保护涂层的优化，但尚未获得足够的效果。在这项研究中，我们通过设计一种削弱锂金属反应活性的电解质（V体育电位并使其接近电解质的电位窗口）来实现更长的寿命。

　

图3：锂金属沉积和溶解的电位（横轴）与库仑效率（纵轴）之间的关系。电位越高，锂金属的反应活性越低，可以抑制副反应。通过应用这种可以精确测量72种电解质电位的方法，他们发现了两者之间存在明显的相关性，并发现了多种可以实现库仑效率99%或更高的新电解质，适合实际使用。

　

图4：利用机器学习分析锂金属反应活性的影响因素。我们通过分子动力学计算和量子化学计算收集了大量与电解质的结构和物理性质相关的数据，并量化了反应活性对实验值（电位）的影响程度。可以看出，虽然与电解质中锂之间的距离和锂-阴离子距离相关的结构因素影响程度较高，但与锂与溶剂之间的距离有关的结构因素以及与成分、电子态、分子性质等有关的因素影响程度较低。