旨在使充放电次数最大增加60％，降低蓄电系统的生命周期成本

锂离子二次电池（以下简称“LIB”）作为脱碳社会的关键组成部分，降低其生命周期成本已成为一项重要课题。株式会社日立制作所为解决这一课题，利用材料信息学^*1（以下简称“MI”）技术，开发了一种兼具难挥发性和化学耐久性的有机固体电解质（图1），并成功试制出一种长寿命LIB。进行充放电循环试验^*2后发现，与使用有机电解液的现有LIB相比，其充放电次数最大增加了60%（寿命延长约1.6倍）。

今后，日立将与合作伙伴进一步合作，以实现使用该电解质的LIB的实用化以及LIB在蓄电系统中的应用与普及，同时推进汽车、铁路等所有移动方式的电气化和可再生能源联合电网的系统稳定化，为实现脱碳社会作贡献。

此外，本成果的一部分作为“锂离子电池用高耐热电解质的开发”，获得了日本社团法人电气化学会技术奖（棚桥奖）。

图1：长寿命有机固体电池概要

背景及课题

●对于支持我们日常生活的电动汽车和家用蓄电池等电力系统，需要安全、紧凑且长寿命的LIB。

●现有LIB使用挥发温度^*3和闪点低的有机电解液，因此通过在蓄电系统内部提供增强材料和冷却机制来确保安全性。

●此前，日立已开发出一种无需增强材料和冷却机制的低挥发性有机固体电解质（图1（b）），并用大型LIB进行了安全性^*4和紧凑性（高能量密度^*5）的实证试验。但是，问题在于，电解质的耐久性低，并且电池容量随着充放电次数的增加而劣化。

开发的技术

●利用高度分析和MI技术开发了一种具有高耐久性和难挥发性的电解质

●使用该电解质开发了一种长寿命有机固体电池

验证效果

●经验证，使用所开发难挥发性电解质制作的小型LIB与使用有机电解液的现有LIB相比，充放电次数可以增加60%

所开发技术的详细内容

1. 利用电池劣化反应的高度分析和MI技术开发具有高耐久性和难挥发性的电解质

用于有机固体电解质的锂离子导电性液体由用于确保安全的难挥发性溶剂、由高浓度锂盐构成的浓溶液、以及使充放电反应顺利进行的低粘度溶剂构成。通过对使用已开发的现有有机固体电解质的LIB进行高度分析后明确，在充放电循环时难挥发性溶剂（四甘醇二甲醚，图2（a））和低粘度溶剂（碳酸丙烯酯）在电极上分解，导致电池容量下降。

为了提高难挥发性溶剂的耐久性（劣化因素之一），研究人员使用MI技术选定了候补材料。对于挥发温度较高的溶剂组，采用分子轨道计算法算出化学稳定性参数，并提取出与已开发材料相比具有高耐久性的电解质材料。

2. 使用难挥发性电解质开发长寿命有机固体电池

日立与横滨国立大学等合作，共同开发出一种使用所提取的高耐久性电解质材料之一——环丁砜的有机固体电池（图2（b））。着眼于横滨国立大学发现的环丁砜所特有的分子间Li离子跳跃传导，将其应用于有机固体电解质后发现，Li离子可以选择性传导。因此，成功设计和制作了一种有机固体电解质，其在保持Li离子高导电性的同时，减少了60%的低粘度化溶剂。

图2：现有电解质和新型电解质的示意图和特征

将上述开发的有机固体电解质应用于锂离子电池后，有望提高充放电循环时的容量保持率，与日立评估的有机电解液电池相比，循环寿命提高60%。此外，由于将挥发温度从现有有机固体电解质的105℃提高到了140℃^*6，因此LIB的耐热性和安全性也有望得到提高。

注释：

*1 材料信息学：利用计算科学的材料开发方案。

*2 通过交替进行锂离子电池的充放电来评估电池容量变化的试验。

*3 挥发温度：定义为通过热重差热分析（TG-DTA）将液体成分的重量减少2％的温度。

*4 2018年2月16日新闻发布

利用新型不易燃电解质成功试制出高安全性锂离子二次电池

https://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2018/02/0216.html

*5 2019年11月12日研究主题

紧凑且容量大、安全性高的层压型锂离子二次电池的开发

https://www.hitachi.co.jp/rd/news/topics/2019/1112.html

*6 现有有机固体电解质的组成是将四甘醇二甲醚-锂盐混合物（Li（G4）TFSA）与低粘度化溶剂以55:45的重量比混合而成的电解质，新型电解质是将环丁砜-锂盐混合物（Li(SL)₃TFSA）和低粘度化溶剂以80:20的重量比混合而成的电解质。

日立：成功试制长寿命锂离子二次电池！使用兼具难挥发性和化学耐久性的新型有机固体电解质