二次電池の電極内で分子イオンPF6-は単原子イオンLi+よりも高速に移動する~「分子イオン電池」の急速充放電特性のポテンシャルの高さを実証~

2025-08-22 産業技術総合研究所

産総研、大阪公立大学高専、愛媛大学の研究チームは、二次電池電極内でのイオン移動速度を比較し、分子性イオンPF₆⁻が単原子イオンLi⁺より高速に移動することを初めて実験的に確認しました。通常、Li⁺は溶媒分子と強く相互作用し移動が遅いため、急速充放電の制約となります。一方、分子イオンは溶媒との結合が弱く、電解液中に加え固体電極中でも動きやすいと予想されていました。本研究では、Li⁺と陰イオンを同一条件下で扱える特殊高分子電極を用いて比較し、PF₆⁻の方が電圧損失・抵抗ともに小さいことを明らかにしました。この成果は、分子イオンを電荷担体とする「分子イオン電池」が高い急速充放電性能と安全性を備える可能性を示すものであり、将来の高性能・次世代二次電池の基盤となることが期待されます。成果は ChemSusChem に掲載されました。

二次電池の電極内で分子イオンPF6-は単原子イオンLi+よりも高速に移動する~「分子イオン電池」の急速充放電特性のポテンシャルの高さを実証~

<関連情報>

有機電池電極における荷電キャリアとして、分子アニオンはリチウムイオンよりも速く移動する:2,6-ビス(ジフェニルアミノ)アントラキノンからの洞察 Molecular Anions Move Faster than Lithium Ions as Charge Carriers in the Organic Battery Electrodes: Insights from 2,6-Bis(diphenylamino)anthraquinone

Hikaru Sano, Aya Yoshimura, Masaki Sawada, Tatsuo Noda, Yohji Misaki, Masaru Yao
ChemSusChem  Published: 28 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/cssc.202500785

Graphical Abstract

The suitability of molecular anions and lithium cations as carrier ions for use with organic battery materials is compared. The findings reveal that molecular anions move faster than lithium ions, suggesting that anion-based batteries may offer superior rate-performance. This discovery highlights the advantages of anion transport in battery technology, paving the way for more efficient and effective energy storage solutions.

Description unavailable

Abstract

In view of the growing demand for sustainable energy storage solutions, the potential of secondary batteries is being focused on. Lithium-ion batteries often rely on cathode materials containing scarce rare metals. Therefore, reducing the amount of these metals in the cathode materials or developing alternatives is crucial. Minor-metal-free organic materials with redox activity are promising alternatives. Some organic compounds have moieties allowing the insertion and deinsertion of cations as well as anions during charging and discharging cycles. This study aims to determine if the insertion and deinsertion of monatomic cations or molecular anions offer superior rate performance in organic materials. We are focusing on 2,6-bis(diphenylamino)anthraquinone, which, after in-cell polymerization, accommodates the insertion and deinsertion of both cations (Li+) and anions (PF6). The investigation of the reaction rates for each ion reveals that molecular anions move faster than monatomic lithium-ions as charge carriers in the organic battery electrodes. The findings provide insights into the ion dynamics within organic electrode materials as well as shed light on anion batteries, which outperform cation batteries, such as lithium-ion batteries.

0402電気応用
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