リチウム空気電池の寿命を2倍に、実験ロボットとデータ科学で新たな電解液を開発：蓄電・発電機器

NIMSが電気化学自動実験ロボットとデータ科学的手法を組み合わせた新しい材料探索手法を確立。この手法を次世代電池として期待されるリチウム空気電池用の電解液材料探索に適用した結果、充放電サイクル寿命を約2倍向上させる電解液材料の開発に成功したという。

[スマートジャパン]

　物質・材料研究機構（NIMS）は2022年3月23日、独自に開発した電気化学自動実験ロボットとデータ科学的手法を組み合わせた新しい材料探索手法を確立したと発表した。この手法をリチウム空気電池用電解液材料探索に適用した結果、充放電サイクル寿命を約2倍向上させる電解液材料の開発に成功したという。この手法は、今後の次世代蓄電池開発を加速する上で、有力な手法となることが期待されるとしている。

　負極に金属リチウム、正極に大気中の酸素を活物質として利用するリチウム空気電池は、リチウムイオン電池の2〜5倍以上のエネルギー密度を実現することができるため、次世代電池として実用化が期待されている。

　一方で、実用化に向けた課題となっているのが、充放電サイクル数の低さだ。特に、正極反応と負極反応の双方において、高い反応効率を実現する電解液材料の開発が、リチウム空気電池の充放電サイクル数を増大させる上で、最大のボトルネックとなっているという。電解液には添加剤と呼ばれる微小濃度の成分が複数種含まれる。これらの選定は、従来研究者の経験や勘に頼った試行錯誤的なアプローチにより検討がなされてきたという。その背景には、検討すべき化合物の候補、組み合わせが膨大な数であることや、添加剤の機能発現機構は複雑なため合理的な材料設計が困難であることが挙げられ、新しい材料探索手法の実現が望まれていた。

　そこでNIMSでは、電気化学自動実験ロボットとデータ科学的手法を組み合わせることで、従来の試行錯誤的アプローチの問題点解消を試みた。これまで研究チームは電解液の調合とその電池性能評価を、人力の100倍以上の速度で実施することが可能な電気化学自動実験ロボットを独自に開発していた。今回自動実験ロボットにより得られた大量の実験データに対して、ベイズ最適化に代表されるデータ科学的手法を適用することで、材料探索の効率化を検証。その結果、約1万種類以上の電解液材料の評価を実施し、リチウム空気電池の充放電サイクル数向上を実現する電解液材料を発見することに成功したという。

今回研究に用いた電気化学自動実験ロボットの概要。（a）注液部 : さまざまな組成の電解液を自動でセルに注入し、ロボットアームで電極部へと運ぶ、（b）全体像、（c）電極部 : 上下の電極がセルを挟み、電解液の特性を一度に評価する。　出典：NIMS

　研究グループは今回の成果について、確立した新しい電解液材料探索手法は、リチウム空気電池以外のさまざまな蓄電池用電解液材料探索に適用可能であり、今後の次世代蓄電池の開発加速が期待されるとしている。