研究者はリチウムの熱暴走を防ぐ不燃性電解質を開発

Jun 15, 2023

2023 年 8 月 1 日

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国家科学技術研究評議会による

エネルギー貯蔵研究センターのミナ・リー博士、KAISTのソ・ドンファ教授、および博士らが率いる共同研究チーム。 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。 。

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い。

これまで、電解液の引火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、市販の電極と互換性のない電極では電解質中のリチウムイオンの輸送が低下し、その商業化が制限されました。

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際のリチウムイオン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。 さらに、新しい電解液は、従来の電解液と比較し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。 この研究は『Energy & Environmental Science』誌に掲載されています。