独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长吉川博之]（以下简称“AIST”）泛在能源研究部[部门负责人Tetsuhiko Kobayashi]开发了一种由不对称环状季铵酰亚胺盐组成的离子液体电解质，作为确保锂金属二次电池安全性所必需的阻燃电解质，有望显着提高能量密度。
锂金属二次电池的能量密度预计将是目前锂离子二次电池的两倍以上，但在有机电解液中，负极中的锂以树枝状形式析出，容易引起内部短路，而且化学活泼的锂金属与易燃有机溶剂的共存，使其难以确保实际使用时足够的安全性。因此，阻燃电解质对于确保锂金属二次电池实际应用的安全性至关重要，离子液体一直被期待用作阻燃电解质，但目前还没有能够承受锂电池电压的离子液体。
本发明开发的由环状季铵酰亚胺盐制成的离子液体电解质可以承受锂电池的电压，并且该电解质中的锂金属电极表现出与有机电解质相当的充放电效率。此外，如图1所示，使用压装电池反复进行溶解和沉积的锂金属基板上沉积的锂的形态相对光滑，而不是有机电解质典型的树枝状。
图1(a) Li在离子液体中的沉淀形式
|
(b)有机电解液中Li的沉淀形式
|
该离子液体具有高热稳定性，表现出阻燃性和挥发性，并且还表现出高锂充电和放电效率，因此被认为为锂金属二次电池的实际应用铺平了道路。这使得进一步减轻便携式设备的重量并延长其使用时间成为可能。
这项研究开发的成果是通过新能源产业技术综合开发机构（理事长牧野勉）（以下简称“NEDO技术综合开发机构”）委托的项目“燃料电池汽车等用锂电池技术的开发 - 高性能锂电池元件技术的开发（2002年度～2002年度）”项目而获得的。
未来，我们将优化离子液体的纯度和成分，旨在进一步提高锂金属电极的效率。
锂金属二次电池的能量密度预计将是现有锂离子二次电池的两倍以上，并可显着提高小型便携式设备的便利性。 1999年开发的有机电解液中，负极中的锂以树枝状形式析出，容易引起内部短路，且化学活泼的金属锂与易燃有机溶剂共存，难以保证实际使用的安全性。然而，只有锂金属二次电池才能满足电池能量密度大幅提高的需求，为了将锂金属二次电池投入实际使用，人们对阻燃电解质进行了研究，这对于确保安全至关重要。离子液体一直被认为是最阻燃的电解质，但如图2所示，它显示了传统离子液体的电位窗口，没有离子液体能够承受锂电池的电压，特别是负极锂的电压。
|
|
|
图2 传统开发的离子液体与新开发的离子液体之间的电位窗口（可用电压范围）比较
|
AIST 普适能源研究部对传统上被称为室温熔盐的离子液体进行了研究，具有世界顶级的潜力，并正在致力于将其开发为各种电化学装置。我们发现了由亚胺铵盐组成的离子液体，自2002年以来，我们一直在NEDO技术开发组织委托的项目“燃料电池汽车等锂电池技术的开发 - 高性能锂电池元件技术的开发（2002-2008）”中对其在锂二次电池中的适用性进行了全面验证。
离子液体一直是常规研究的主题，与锂的反应性高，难以用于锂电池，但不对称环状季铵酰亚胺盐（PP13-TFSI：N-甲基-N-丙基哌啶鎓双(三氟甲磺酰基)亚胺组成的离子液体电解质，其结构如图3所示）是一种稳定的电解质，可以承受锂电池的电压，事实上，已经证实即使以锂为负极的硬币型锂/钴氧化物锂电池也具有良好的特性，充放电效率约为97%或更高。当我们研究这种以镍为基材的电解液中锂金属的充电/放电效率时，我们发现充电/放电效率与有机电解液相当（97%，而有机电解液为98%）。此外，使用压装电池进行反复溶解沉积后，沉积在锂金属基板上的锂形态相对光滑，而不是有机电解质典型的树枝状，如图1所示。
该离子液体即使加热到300℃左右也不会因热分解而着火或失重，并且具有优异的热稳定性、阻燃性和耐挥发性，以及高充放电效率和优异的沉淀形态，因此被认为在安全性和特性方面为锂金属二次电池的实际应用铺平了道路。这使得进一步减轻便携式设备的重量并延长其使用时间成为可能。
我们计划优化离子液体的纯度和成分，旨在进一步提高锂金属电极的效率，开发具有更高实用潜力的锂金属二次电池电解质。