【研究の要旨とポイント】
リチウム・ナトリウム・カリウムイオン電池の界面層を系統的に比較し、各イオン固有の性質が異なる形成・劣化メカニズムを生み出すことを明らかにすることで、次世代二次電池の界面層設計においてリチウムイオン電池で確立された知見の単純な適用が困難であることを示しました。
従来静的な固体膜として捉えられてきた固体電解質界面（SEI, ＊1）および正極電解質界面（CEI, ＊2）を、電池動作中に絶えず変化し続けるいわゆる動的界面層として捉えるなど、界面層の概念を再定義しました。
ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池における具体的な課題と解決の方向性を示すとともに、機械学習などを活用した体系的アプローチによって次世代電池システム全体の合理的設計に貢献し、実用化に向けた大きな進展が期待されます。
【研究の概要】
東京理科大学 研究推進機構 総合研究院のLee Changhee助教、同大学 理学部第一部 応用化学科の駒場 慎一教授らの研究グループは、これまでに多く検討されてきたものの、未だに不明瞭な点が多いSEI・CEI界面層の特性・性質に関して、アルカリ金属イオン電池間で統一的に比較することにより再定義する総説論文を発表しました。
ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池は、資源の豊富さ、調達のしやすさ、材料コストなどの面で、リチウムイオン電池を代替する次世代蓄電デバイスとして期待されています。ナトリウムやカリウムはリチウムと同じアルカリ金属に属する元素ですが、これらの電池の物性や反応特性は異なる点が多いため、長期安定性や優れた電気化学性能を実現するうえで、より詳細なデバイス設計が必要となります。その中でも、SEIおよびCEIなどの界面層については、誤った理解が多く存在し、界面反応の重要性も一貫して過小評価されてきました。そこで、これらの界面層に対する理解を正し、新たな定義を提示することで、次世代二次電池のブレークスルー創出に寄与することを目指しました。
本総説論文では、リチウム・ナトリウム・カリウムイオン電池の界面層を、それぞれの物理化学的性質に基づいて系統的に比較しつつ、主に１.SEIおよびCEIが本質的に動的かつ準安定的な構造をとること、２.高電圧化に伴うフッ素系CEIの限界、３.バインダーが界面形成や安定性に与える影響、４.CEIの機能性や形成メカニズムが一般化されていること、５.界面層の安定性や不完全な不動態化が電池の自己放電に及ぼす影響について、体系的に再定義を行っています。
本総説論文により、界面層に関する概念が再定義され、各アルカリ金属イオン電池における界面化学への理解が深まるとともに、それぞれのシステムに最適な界面の合理的設計が可能になります。そして、ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池をはじめとする次世代二次電池の実用化に向けた開発が大きく加速することが期待されます。
本論文は、2026年1月30日に国際学術誌「Advanced Energy Materials」にオンライン掲載されました。
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【研究の背景】
ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池は、リチウムイオン電池に代わる有望なエネルギー貯蔵デバイスとして注目を集めています。リチウム資源の偏在性や価格高騰が懸念される中、ナトリウムやカリウムは地殻中に豊富に存在し、地理的にも広く分布しているため、より持続可能で低コストな電池システムの実現が期待されています。
しかし、リチウムイオン電池の高性能化およびナトリウム・カリウムイオン電池の実用化に向けては、さまざまな限界が指摘されており、中でも電極界面における現象の理解に大きな課題が残されています。例えば、動作中に変化し続ける界面層の構造や化学的性質をリアルタイムで完全に捉えられていないことが挙げられます。これまでの分析手法の多くは、試料を取り出したり乾燥させたりする必要があり、その過程で界面層の状態を変化させてしまいます。最新のその場観察技術を用いた場合でも、実際の電池とは異なる環境で測定することが多く、現実の動作環境を正確に再現できていません。そのため、SEIやCEIがどのように形成され、変化していくのかについては断片的な理解にとどまり、その全容は未解明のままです。このような界面現象の解明と安定な界面層の形成は、これらのアルカリイオン電池の高性能化に不可欠な要素です。
そこで、本総説論文ではリチウム・ナトリウム・カリウムイオン電池システムにおける電極と電解液の間に形成されるSEIやCEIなどの不活性な界面層について比較検討し、基本的な物理化学的性質に基づく共通点だけでなく、実用面から見落とされがちな各システム特有の挙動についても評価しました。
【研究結果の詳細】
本総説論文では、リチウム・ナトリウム・カリウムのそれぞれのアルカリイオン電池において、界面層の物理化学的性質に本質的な違いがあることを明らかにしています。これらの界面層の構造や組成、頑健性やイオンの輸送特性は、電解液の物性、電極の組成、動作条件などが複雑に絡み合って決定されます。それぞれのイオンで界面の保護効果の強さ、電解液中での界面成分の溶解性、酸化還元電位などが異なるため、ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池では、リチウムイオン電池からは予測できない独自の劣化メカニズムが生じます。したがって、リチウムイオン電池で確立された知見や設計指針を、ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池にそのまま適用することはできないという重要な認識を示しています。
また、アルカリイオン電池の電極界面において見過ごされがちな点や誤解されている点のうち、注目すべき5つの重要な側面を提示しています。
- SEIとCEIは動かない固体膜ではなく、電池が動作している間変化し続ける動的界面層として捉える必要があること。
- LiFなどフッ素が豊富な化合物を主成分とするCEIは、実際の複合電極のような環境や高電圧条件下では、本質的に不安定になる可能性があること。
- バインダーが界面層の形成と安定性に大きく貢献していること。
- CEIの働きや形成メカニズムは、溶媒和構造だけに基づいて単純化されることが多いが、静電相互作用や反応速度、材料特有の性質といった複合的な要因にも目を向ける必要があること。
- 自己放電の挙動と界面層の安定性との関係は界面の劣化と強く結びついているが、未だに十分に検証されていないこと。
【今後の展望】
今後は、実際の充放電条件下で起こる劣化現象（自己放電や界面層の溶解など）について体系的に研究すること、実用的な電池の形態で界面層を評価できる技術を開発する必要があります。これは、それぞれのアルカリ金属イオン電池に理想的なSEIおよびCEIの構造を合理的に設計・提案できるようにするだけでなく、電池分野における界面現象に対する理解を深めることにもつながります。また、機械学習やデータ駆動型手法を通じて、アルカリ金属イオンの基本的性質、電気化学的挙動、界面層の化学を統一された枠組みの中で体系的に探究することが、この分野の革新的な発展を可能にすると言えます。このようなアプローチによって、アルカリ金属イオン電池を含む次世代電池システムの合理的設計および高性能化に貢献することが期待されます。
本総説論文を執筆したLee助教は、「ナトリウムイオン電池やカリウムイオン電池は次世代二次電池として期待されていますが、SEIやCEIについては誤った理解が多く存在し、界面反応の重要性も過小評価されてきました。そこで本論文では、界面層に関する新たな定義を提示しました。これにより、アルカリイオン電池の界面反応の抜本的な改善が加速し、ブレークスルーの創出に寄与することが期待されます」と本論文の意義についてコメントしています。
- 本研究は、文部科学省におけるデータ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト事業（DxMT, JPMXP1121467561）、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）における戦略的創造研究推進事業（CREST, JPMJCR21O6）、先端国際共同研究推進事業（ASPIRE, JPMJAP2313）、革新的GX技術創出事業（GteX, JPMJGX23S4）、日本学術振興会（JSPS）の科研費（25H00905, JP24H00042, JP24K17772, 25K23611）、電気化学会、リバネス研究費、一般財団法人一樹工業技術奨励会、公益財団法人野口研究所の助成を受けて実施したものです。
【用語】
＊1 固体電解質界面（SEI）
アルカリイオン電池の作動中に負極表面に形成される保護膜。
＊2 正極電解質界面（CEI）
アルカリイオン電池の作動中に正極表面に形成される保護膜。
【論文情報】
[表: https://prtimes.jp/data/corp/102047/table/230_1_4f81ea580baf8c593983a1a0a4ad74a5.jpg?v=202602130515 ]
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