Research Abstract


Hydrate-melt electrolytes for high-energy-density aqueous batteries

2016年8月26日 Nature Energy 1 : 16129 doi: 10.1038/nenergy.2016.129 (2016)

水系リチウムイオン電池は、安価で安全かつ環境にやさしい次世代二次電池として注目を集めている。しかし、水の安定電位範囲が狭く、適切な負極の選択肢が限られているため、低電圧(2 V以下)かつ低エネルギー密度(総電極重量当たり100 Wh kg-1未満)であることが問題となっている。今回我々は、複数の有機リチウム塩の共晶系を探索することでリチウム塩のハイドレートメルト(常温溶融水和物)を発見するとともに、それが安定な水系電解液として機能することを見出した。この液体中では、すべての水分子が流動性を保ったままLi+に配位していることが分かった。ハイドレートメルトを電解液とすることで、反応電位が低く(対Li+/Li換算で1.55 V)高容量(175 mAh g-1)の市販のLi4Ti5O12負極の可逆反応が可能になった。その結果、エネルギー密度が高く(130 Wh kg-1を超える)電圧の高い(約2.3~3.1 V)水系リチウムイオン電池の可逆作動が達成され、市販の非水系リチウムイオン電池(エネルギー密度が約150~400 Wh kg-1で電圧が約2.4=3.8 V)に匹敵する性能が得られた。

Yuki Yamada, Kenji Usui, Keitaro Sodeyama, Seongjae Ko, Yoshitaka Tateyama & Atsuo Yamada

Corrsonding Author

山田 淳夫
東京大学 工学系研究科 化学システム工学専攻

Aqueous Li-ion batteries are attracting increasing attention because they are potentially low in cost, safe and environmentally friendly. However, their low energy density (<100 Wh kg−1 based on total electrode weight), which results from the narrow operating potential window of water and the limited selection of suitable negative electrodes, is problematic for their future widespread application. Here, we explore optimized eutectic systems of several organic Li salts and show that a room-temperature hydrate melt of Li salts can be used as a stable aqueous electrolyte in which all water molecules participate in Li+ hydration shells while retaining fluidity. This hydrate-melt electrolyte enables a reversible reaction at a commercial Li4Ti5O12 negative electrode with a low reaction potential (1.55 V versus Li+/Li) and a high capacity (175 mAh g−1). The resultant aqueous Li-ion batteries with high energy density (>130 Wh kg−1) and high voltage (∼2.3–3.1 V) represent significant progress towards performance comparable to that of commercial non-aqueous batteries (with energy densities of ∼150–400 Wh kg−1 and voltages of ∼2.4–3.8 V).