安全な電池の実現に向けた消火性有機電解液
Fire-extinguishing organic electrolytes for safe batteries
2017年11月27日 Nature Energy 3 : 22 doi: 10.1038/s41560-017-0033-8
リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池は、安全性に対する深刻な懸念によって大規模な普及が妨げられている。従来の電解液は燃焼性及び揮発性が極めて高いため、重大な火災・爆発事故を引き起こす可能性がある。難燃性溶媒を電解液に添加する試みが行われてきたが、それらの溶媒は炭素系負極に適切な不動態被膜を形成することができないため、一般に電池性能の低下を引き起こしてしまう。本論文では、負極上に強固な無機系被膜を自発形成することによってこのジレンマを解決することができる高濃度電解液設計について報告する。電解質塩と一般的な難燃性溶媒（リン酸トリメチル）を用いた高濃度電解液を使用することによって、添加剤や機能性バインダーを使用しなくても、ハードカーボン負極や黒鉛負極において、ほぼ劣化することなく1,000回（1年以上）を超える安定充放電サイクルが可能になることを実証している。この性能は、従来の可燃性カーボネート系電解液をはるかに凌駕する。この高濃度電解液の特殊な不動態被膜形成機能と消火機能は、安全かつ長寿命な電池の開発に寄与するばかりでなく、より高エネルギー密度の電池開発に向けた制約を解消するものである。
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Severe safety concerns are impeding the large-scale employment of lithium/sodium batteries. Conventional electrolytes are highly flammable and volatile, which may cause catastrophic fires or explosions. Efforts to introduce flame-retardant solvents into the electrolytes have generally resulted in compromised battery performance because those solvents do not suitably passivate carbonaceous anodes. Here we report a salt-concentrated electrolyte design to resolve this dilemma via the spontaneous formation of a robust inorganic passivation film on the anode. We demonstrate that a concentrated electrolyte using a salt and a popular flame-retardant solvent (trimethyl phosphate), without any additives or soft binders, allows stable charge–discharge cycling of both hard-carbon and graphite anodes for more than 1,000 cycles (over one year) with negligible degradation; this performance is comparable or superior to that of conventional flammable carbonate electrolytes. The unusual passivation character of the concentrated electrolyte coupled with its fire-extinguishing property contributes to developing safe and long-lasting batteries, unlocking the limit toward development of much higher energy-density batteries.
