リチウム金属電池の性能を最大化する電解液濃度の新指標を発見 ― イオンの協調輸送と保護膜の強さが高性能化の鍵 ―

2026-07-01 東北大学

東北大学金属材料研究所の研究グループは、リチウム金属電池の性能を最大化する電解液濃度を判断する新たな設計指標を発見した。リチウム金属電池は高いエネルギー密度を実現できる一方、充放電時に針状のリチウム(デンドライト)が成長し、安全性や寿命を低下させることが課題となっている。研究では、LiTFSI/EC-PC電解液の濃度を系統的に変化させ、イオン輸送特性、リチウムの析出・溶解挙動、表面保護膜(SEI)の力学特性を解析した。その結果、リチウムイオン(Li⁺)とTFSI⁻が協調的に拡散する濃度領域では、リチウムが均一かつ可逆的に析出・溶解し、充放電安定性が大幅に向上することを確認した。また、ナノスケールでの硬さ・弾性率評価により、この濃度条件では機械的に強固なSEIが形成され、デンドライトの発生を効果的に抑制することを実証した。本成果は、「イオンの協調輸送」と「SEIの機械的安定性」を新たな電解液設計指標として提示するものであり、高性能・高安全な次世代リチウム金属電池の開発を加速することが期待される。

リチウム金属電池の性能を最大化する電解液濃度の新指標を発見 ― イオンの協調輸送と保護膜の強さが高性能化の鍵 ―
図1. 電解液濃度がイオン輸送、SEI形成、およびリチウム析出挙動に及ぼす影響。

<関連情報>

イオン対拡散の相関により、リチウム金属負極におけるバランスのとれた輸送速度と界面安定性が実現する Correlated Ion-Pair Diffusion Enables Balanced Transport Kinetics and Interfacial Stability for Lithium Metal Anodes

Rongkang Jin,Hongyi Li,Mariko Ando,and Tetsu Ichitsubo
ACS Electrochemistry  Published: June 29, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acselectrochem.6c00140

Abstract

Determining the optimal electrolyte concentration for lithium metal anodes remains challenging due to the lack of clear design guidelines. Here, we systematically investigate the concentration-dependent lithium deposition and dissolution behavior in electrolytes composed of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) and a mixed solvent of equi-volumetric ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). As the concentration increases toward saturation (∼4.16 M), Li+ ions increasingly coordinate with TFSI anions. Notably, comparable diffusion coefficients of Li+ and TFSI are observed at intermediate concentrations (1−2 M), indicating correlated ion-pair diffusion. This regime coincides with dense lithium deposition, low overpotentials, and high coulombic efficiency compared with both lower and higher concentrations. Analysis of the solid-electrolyte interphase (SEI) reveals that at low concentration (∼0.5 M), the SEI exhibits a low fluorine-to-oxygen ratio, leading to sluggish interfacial charge transfer and low mechanical strength. At high concentration (∼3 M), a fluorine-rich SEI facilitates interfacial charge transfer and increases the elastic modulus. However, the resulting highly stiff SEI promotes the incorporation of SEI components into the deposits and increases ohmic resistance, suggesting hindered electron transport within the bulk deposits. In contrast, the SEI formed at intermediate concentration (1−2 M) achieves a balance between transport kinetics and mechanical robustness, as reflected by an increased hardness to elastic modulus (H/E) ratio. These findings provide a unified understanding of concentration effects and offer general design principles for optimizing electrolytes for lithium metal anodes.

0402電気応用
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