新潟大学自然科学系（理学部）的梅林泰宏教授、东京理科大学理工学部的渡边日香里助教、山口大学研究生院创成科学研究科的藤井健太教授和高能加速器研究机构物质构造科学研究所的大友季哉教授等人组成的研究团队，与山形大学和横滨国立大学的研究团队合作，共同在分子水平上阐明了作为锂离子电池（LIB）的新电解液而备受期待的浓缩锂盐水溶液的液体结构。
图1：利用中子和X射线的实验及理论模拟获得的浓缩锂盐水溶液的液体结构。多个锂离子与阴离子结合，形成聚集体（供图＝新潟大学）
锂离子电池中使用的水既安全成本又低，但水会与锂发生反应，因此实现起来极为困难。最近发布了锂盐用量为现有电池的3倍，水与锂不容易发生反应，而且能量密度也比较高的电池，但其原理始终是个谜。根据梅林教授的说法：“理论模拟和类似的实验表明，多个锂离子与阴离子和水会形成聚集体，但一直没有证据”。
研究团队从2017年开始致力于调查浓缩锂盐电解液结构的研究，通过利用拉曼光谱分析锂离子的状态、利用中子和X射线做实验以及进行理论模拟，最终在分子水平上明确了浓缩锂盐水溶液的液体结构。由此发现，浓缩锂盐水溶液中会形成阴离子交联2个以上锂离子的聚集体，并且与低浓度水溶液不同，相邻水分子之间的氢键非常弱。电极上形成的覆膜对水基LIB的驱动非常重要，锂离子与阴离子形成的聚集体被认为与其有关，此次全球首次通过实验证明形成了这种聚集体。
图2：通过拉曼光谱实验获得的浓缩锂盐水溶液中各种成分的拉曼散射因子。观测到了多个阴离子与锂离子结合形成的聚集体（oligomer、绿色）的峰值。（供图＝新潟大学）
作为新一代蓄电池，水基LIB备受期待，全球展开了开发竞争。此次明确的浓缩锂盐水溶液中的锂离子结构对水基LIB驱动的关键——覆膜的形成有很大影响。研究团队计划以此次的成果为指南，开发能形成更优质覆膜的浓缩锂盐水溶液，并应用于蓄电池。
梅林教授表示：“通过明确电解液的结构，得到了避免水与锂发生反应，从而实现长寿命电池的指南。如果能发现防止水与锂离子发生反应的阴离子和添加剂，就有望实现实用化。”
相关注释
【注1】浓缩锂盐水溶液：与现行锂离子电池使用的电解液相比，溶解了约3倍的锂盐的水溶液。
【注2】聚集体：阴离子（TFSA离子）具有可与多个锂离子结合的性质。多个锂离子与阴离子相互结合形成的就是聚集体。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
