リチウムの熱暴走を防ぐ不燃性電解質の開発

市販の電解液中の有機カーボネートの分子構造を調整することで、バッテリーの火災の危険性が軽減されます。 非フッ素系、不燃性の電解質は、熱的に安定した高性能バッテリーを実現するための実行可能な手段となります。

による

発行済み

韓国科学技術研究院(KIST)のユン・ソクジン学長は、エネルギー貯蔵研究センターのイ・ミナ博士と韓国科学技術研究院(KAIST)のソ・ドンファ教授が率いる共同研究チームを発表した。 ）、そしてDrs。 韓国産業技術研究院(KITECH)のYong-Jin Kim氏とJayeon Baek氏は、リチウムイオン電池の発火や熱暴走を防ぐために線状有機カーボネートの分子構造を調整することにより、室温では発火しない不燃性電解質を開発した。 。

クレジット: 韓国科学技術研究院

クレジット: 韓国科学技術研究院

電気自動車やエネルギー貯蔵システム（ESS）における中・大型リチウムイオン電池の使用が拡大するにつれ、火災や爆発の懸念が高まっている。 バッテリー火災は、外部からの衝撃や乱用、経年劣化などによりバッテリーがショートすると発生し、連続的な発熱反応を伴う熱暴走現象により消火が困難となり、人身傷害の危険性が高くなります。 特に市販のリチウムイオン電池用電解液に使用されている線状有機カーボネートは引火点が低く、室温でも発火しやすく、発火の直接的な原因となります。

これまで、電解液の可燃性を低減するために、溶媒分子の集中的なフッ素化や高濃度の塩が広く採用されてきました。 その結果、電解質中のリチウムイオンの輸送が低下したり、市販の電極と互換性がなくなったりして、その商業化が制限されました。

(左)市販のリチウムイオン電池の電解質(DEC)と、KIST、KITECH、KAISTの共同研究チームが開発した新しい電解質(BMEC)(右)。

研究者らは、市販のリチウムイオン電池の電解質に使用される代表的な線状有機カーボネートであるジエチルカーボネート（DEC）分子にアルキル鎖の延長とアルコキシ置換を同時に適用することにより、新しい電解質であるビス（2-メトキシエチル）カーボネート（BMEC）を開発した。分子間相互作用と溶媒和能力を高めることにより、引火点とイオン伝導性が向上します。 BMEC 溶液の引火点は 121°C で、従来の DEC 溶液よりも 90°C 高く、従来の電池動作の温度範囲では発火しません。 BMEC は、単純なアルキル化された対応物であるジブチルカーボネート (DBC) よりも強力にリチウム塩を解離することができ、分子間相互作用を増加させることで可燃性を低下させるときにリチウムイオンの輸送が遅くなるという問題を解決します。 その結果、火災の危険性を大幅に軽減しながら、従来の電解液の元のレート能力の 92% 以上を維持します。

また、新電解液は従来の電解液に比べて可燃性ガスの発生を37％、発熱を62％軽減しました。 研究チームは、新しい電解質と高ニッケルカソードおよびグラファイトアノードを組み合わせることで、1Ah リチウムイオン電池が 500 サイクルにわたって安定して動作することを実証しました。 また、70％充電した4Ahレベルのリチウムイオン電池の釘刺し試験も実施し、熱暴走が抑制されていることを確認した。

KISTのミナ・リー博士は、「この研究結果は、電気化学的特性や経済的実現可能性を必然的に犠牲にしてきた不燃性電解質の設計に新たな方向性を与えるものである」と述べた。 「今回開発した不燃性電解質はコスト競争力があり、高エネルギー密度の電極材料との適合性にも優れているため、従来の電池製造インフラへの応用が期待されます。 最終的には、優れた熱安定性を備えた高性能バッテリーの出現が加速されるでしょう。」