金属二次電池の超高効率化を実現する新しい電解液設計指針 ―イオン特性の組み合わせによる副反応の抑制―

2026-05-26 東京大学

東京大学(The University of Tokyo)大学院工学系研究科の研究グループは、金属二次電池の性能を大幅に向上させる新たな電解液設計指針を開発した。研究では、電解液中イオンの「硬さ・柔らかさ」が金属析出反応の起こりやすさを左右することを解明した。硬い陽イオンと柔らかい陰イオンを組み合わせることで、金属イオンの熱力学的安定性を低下させ、小さな駆動力でも反応を進行させられるため、副反応となる電解液分解を大幅に抑制できることを示した。水系亜鉛二次電池で実証した結果、99.9%を超える世界最高水準の充放電効率を達成した。従来は保護膜形成による副反応抑制が主流だったが、本研究はイオン間相互作用そのものを制御対象として再定義した点が特徴である。研究成果は金属電池だけでなく、レドックスフロー電池、水電解、燃料電池など広範な電気化学デバイス設計への応用が期待され、カーボンニュートラル社会実現への貢献が見込まれる。

金属二次電池の超高効率化を実現する新しい電解液設計指針 ―イオン特性の組み合わせによる副反応の抑制―
イオンの「硬さ・柔らかさ」の組み合わせで変わる電池反応の起こりやすさ

<関連情報>

金属電極電位はイオン添加によって変化する Metal electrode potential diverges with ion additions

Qiu Zhang,Seongjae Ko,Taisei Sakata,Shin-ichi Nishimura,Norio Takenaka,Atsushi Kitada,Chunsheng Wang & Atsuo Yamada
Nature Chemistry  Published:26 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41557-026-02150-5

Abstract

The electrode redox potential, which varies substantially with the electrolyte, governs both the direction and thermodynamic driving force of electrochemical reactions. However, a comprehensive understanding and effective control of redox potential shifts remain unestablished. Here we report the pronounced effect of coordination-shell ions on the redox potential of metal electrodes. Cooperative interactions between the metal ion and surrounding anions and cations with large differences in hardness/softness amplify the redox potential shift, as corroborated by liquid Madelung potential. Specifically, in the Zn/Zn2+ system, the addition of soft anions paired with hard cations destabilizes the Zn2+ solution structure and upshifts the redox potential, whereas hard anions with soft cations stabilize the structure and induce a downshift. Following this principle, a potential gap exceeding 0.6 V was achieved—a remarkably large but reasonable value for a divalent system. This ion hardness/softness-based strategy also demonstrates practical benefits in Zn plating/stripping tests, where electrolytes with upshifted redox potentials enable an average Coulombic efficiency exceeding 99.9%.

0402電気応用
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