NIMSとJST、リチウム空気電池のサイクル寿命を向上する電解液の開発に成功

■概要

1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構（以下「NIMS」）は、独自に開発した電気化学自動実験ロボットとデータ科学的手法を組み合わせた新しい材料探索手法を確立しました。本手法をリチウム空気電池用電解液材料探索に適用した結果、充放電サイクル寿命を約2倍向上させる電解液材料の開発に成功しました。今回確立した蓄電池用電解液材料探索手法は、今後の次世代蓄電池開発を加速する上で、有力な手法となることが期待されます。

2. 蓄電池は、現代社会において必要不可欠な存在であり、近年は、車載用途への適用からスマートグリッド用などの定置用蓄電池の用途まで、ますますニーズが高まっています。一方で、現行のリチウムイオン電池の性能は、その理論限界に迫っており、新しい反応原理に基づいた革新蓄電池の早期実用化が期待されています。リチウム空気電池は、負極に金属リチウム、正極に大気中の酸素を活物質として利用する蓄電池であり、リチウムイオン電池の205倍以上のエネルギー密度を実現することができるため、革新蓄電池の最有力候補です。しかし、リチウム空気電池の実用化に向けては、充放電サイクル数の低さが課題となっています。特に、正極反応と負極反応の双方において、高い反応効率を実現する電解液材料の開発が、リチウム空気電池の充放電サイクル数を増大させる上で、最大のボトルネックとなっていました。特に、電解液には添加剤と呼ばれる微小濃度の成分が複数種含まれますが、これらの選定は、従来研究者の経験や勘に頼った試行錯誤的なアプローチにより検討がなされてきました。検討すべき化合物の候補、組み合わせが膨大な数であることや、添加剤の機能発現機構は複雑なため合理的な材料設計が困難であることが、材料探索の加速を妨げる最大の原因となっており、新しい材料探索手法の実現が望まれていました。

3. 研究チームは、電気化学自動実験ロボットとデータ科学的手法を組み合わせることで、従来の試行錯誤的アプローチの問題点解消を試みました。研究チームは、これまでに電解液の調合とその電池性能評価を、人力の100倍以上の速度で実施することが可能な電気化学自動実験ロボットを独自に開発してきました。今回自動実験ロボットにより得られた大量の実験データに対して、ベイズ最適化に代表されるデータ科学的手法を適用することで、材料探索の効率化を試みました。その結果、約1万種類以上の電解液材料の評価を実施し、リチウム空気電池の充放電サイクル数向上を実現する電解液材料を発見することに成功しました。

4. 今回確立した新しい電解液材料探索手法は、リチウム空気電池以外の様々な蓄電池用電解液材料探索に適用可能であり、今後の次世代蓄電池の開発加速が期待されます。

5. 本研究は、JST/ALCA-SPRING、および、JST/共創の場形成支援プログラム（COI-NEXT） 政策重点分野 環境エネルギー分野の研究開発の一環として、松田 翔一主任研究員、LAMBARD Guillaume 主任研究員、袖山 慶太郎グループリーダーらの研究チームによって行われました。

6. 本研究成果は、日本時間2022年3月23日に、Cell Reports Physical Science 誌にオンライン掲載されます。