新潟大學自然科學系（理學部）的梅林泰宏教授、東京理科大學理工學部的渡邊日香裏助教、山口大學研究生院創成科學研究科的藤井健太教授和高能加速器研究機構物質構造科學研究所的大友季哉教授等人組成的研究團隊，與山形大學和橫濱國立大學的研究團隊合作，共同在分子水平上闡明瞭作爲鋰離子電池（LIB）的新電解液而備受期待的濃縮鋰鹽水溶液的液體結構。
圖1：利用中介子和X射線的實驗及理論類比獲得的濃縮鋰鹽水溶液的液體結構。多個鋰離子與陰離子結合，形成聚集體（供圖＝新潟大學）
鋰離子電池中使用的水既安全成本又低，但水會與鋰發生反應，因此實施起來極爲困難。最近發佈了鋰鹽用量爲現有電池的3倍，水與鋰不容易發生反應，而且能量密度也比較高的電池，但其原理始終是個謎。根據梅林教授的說法：「理論類比和類似的實驗表明，多個鋰離子與陰離子和水會形成聚集體，但一直沒有證據」。
研究團隊從2017年開始致力於調查濃縮鋰鹽電解液結構的研究，透過利用拉曼光譜分析鋰離子的狀態、利用中介子和X射線做實驗以及進行理論類比，最終在分子水平上明確了濃縮鋰鹽水溶液的液體結構。由此發現，濃縮鋰鹽水溶液中會形成陰離子交聯2個以上鋰離子的聚集體，並且與低濃度水溶液不同，相鄰水分子之間的氫鍵非常弱。電極上形成的覆膜對水基LIB的驅動非常重要，鋰離子與陰離子形成的聚集體被認爲與其有關，此次全球首次透過實驗證明形成了這種聚集體。
圖2：透過拉曼光譜實驗獲得的濃縮鋰鹽水溶液中各種成分的拉曼散射因子。觀測到了多個陰離子與鋰離子結合形成的聚集體（oligomer、綠色）的峰值。（供圖＝新潟大學）
作爲新一代蓄電池，水基LIB備受期待，全球展開了剝削競爭。此次明確的濃縮鋰鹽水溶液中的鋰離子結構對水基LIB驅動的關鍵——覆膜的形成有很大影響。研究團隊計劃以此次的成果爲指南，開發能形成更優質覆膜的濃縮鋰鹽水溶液，並應用於蓄電池。
梅林教授表示：「透過明確電解液的結構，得到了避免水與鋰發生反應，從而實施長壽命電池的指南。如果能發現防止水與鋰離子發生反應的陰離子和添加劑，就有望實施實用化。」
相關註釋
【注1】濃縮鋰鹽水溶液：與現行鋰離子電池使用的電解液相比，溶解了約3倍的鋰鹽的水溶液。
【注2】聚集體：陰離子（TFSA離子）具有可與多個鋰離子結合的性質。多個鋰離子與陰離子相互結合形成的就是聚集體。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
