新しい電解質添加剤が、グラファイト陽極が1,000回の充電サイクルを経ても95.6%の容量を維持できることを助けており、これはグラファイト自体を変更することなくリチウムイオン電池の寿命を延ばす可能性を示しています。日本先進科学技術大学（JAIST）の研究者たちは、グラファイト上に形成される保護層を改善するために、ペンタフルオロフェニルチオフェンイミン（pentafluorophenyl thiophene imine、略称FPTI）という化合物を設計しました。
この層は固体電解質界面（SEI）と呼ばれ、電池の寿命にとって重要です。SEIはリチウムイオンが電解質と電極の間を移動できるようにしつつ、不必要な化学反応を制限します。SEIが不安定になると、活性リチウムが消費され、抵抗が増加し、容量損失が加速する可能性があります。研究者たちは、FPTIを従来のリチウムイオン電池電解質に、濃度2mg/mlおよび4mg/mlで添加しました。彼らは、この添加剤が初期のサイクルで優先的に反応し、グラファイト表面により導電性と安定性のあるSEIを形成するのを助けることを発見しました。
FPTI添加剤がリチウムイオン電池の性能を大幅に改善
高濃度では、SEIの抵抗が対照群の7.6オームから2.2オームに低下しました。電荷移動抵抗も41.8オームから19.8オームに低下し、リチウムイオンの拡散が増加しました。研究者たちは、FPTI分子の異なる部分が保護層の形成に寄与していることを発見しました。硫黄とイミンからの化合物が界面に取り込まれ、フッ素成分がリチウム富化フッ化物の層を形成するのを助けます。松井教授は、「これらの成分が共同で作用することで、寄生反応が減少し、リチウムイオンが電極-電解質界面間でスムーズに移動するのをサポートしているようです。」と説明しました。
長時間のサイクルを行う過程で、改善の効果がより明確になりました。2mg/mlのFPTIを含むグラファイト電池は1,000回のサイクル後に89.4%の最大容量を維持し、4mg/mlのものは95.6%を維持しました。添加剤のない対照群は62.7%の容量しか保持せず、約350回のサイクル後に顕著な容量損失を示し始めました。
研究チームはその後、この方法がNMC811正極とグラファイト負極を使用した完全な電池に適用できるかどうかをテストしました。これにより、重要な制限が明らかになりました：FPTIを全電池電解質に直接入れると、正極の抵抗が増加し、性能が損なわれました。したがって、研究者たちはFPTIをグラファイト負極の前処理にのみ使用しました。彼らは前サイクル中に改善されたSEIを形成し、その後標準電解質を使用して完全な電池を組み立てました。このターゲットを絞った化学処理は、全電池のエネルギー密度を大幅に向上させました。4mg/mlのFPTIで前処理されたグラファイト全電池は約233 Wh/kgに達し、2mg/ml処理のものは約192 Wh/kg、対照群は約130 Wh/kgに過ぎませんでした。
この結果は、なぜ電池添加剤を単一の電極への影響だけで評価できないかを強調しています。グラファイト-電解質界面を改善する化学物質が正極に問題を引き起こす可能性があるため、ターゲットを絞った処理が全電池にその化合物を添加するよりも実用的である可能性があります。
松井教授は、「全体として、FPTIの導入はグラファイト半電池の電気化学性能を大幅に向上させました。」とまとめました。研究者たちは、この戦略が実際の電池に転換できるかどうかを確認するために、より大きな商業フォーマットの電池やより広範な操作条件でさらなるテストが必要であると述べています。しかし、この研究は、広く使用されている陽極材料を変更することなく、分子レベルでグラファイト表面を制御して電池の寿命を延ばす方法を示しています。この研究は『エネルギーと燃料』ジャーナルに発表されました。
項目 規格 SEI電阻 2.2オーム 電荷移動抵抗 19.8オーム エネルギー密度（4mg/ml FPTI） 233 Wh/kg エネルギー密度（2mg/ml FPTI） 192 Wh/kg エネルギー密度（対照群） 130 Wh/kg