本研究は、負極活物質を一切持たない「アノードフリー」構成において、包装材を含む実測値で 1270 Wh/L という記録的な体積エネルギー密度を達成した、次世代電池の画期的な成果です。
1. システムの核となる構成要素
A. 可逆性ホスト（RH: Reversible Host）
銅箔（Cu）上にスラリーキャスト法で形成された、厚さ約11マイクロメートルの多孔質層です。
- 構成成分: 分岐ポリエチレンイミン（BPEI）、銀ナノ粒子（Ag NP）、吸着された硝酸リチウム（LiNO3）。
- 役割: リチウムの析出・剥離を制御する「スマートな土台」として機能します。
B. 設計された電解液（DEL: Designed Electrolyte）
高電圧動作と負極の安定化を両立させるために精密に配合された炭酸塩系電解液です。
- 溶媒: FEC / DEC / DME (容積比 2:4:4)。耐酸化性の高いFECと低粘度のDEC、塩の溶解を助けるDMEの三成分系。
- 主塩: LiFSI。従来のLiPF6より解離しやすく、フッ素に富む界面形成に寄与。
- 添加剤: LiDFBP（ジフルオロ(ビスオキサラト)リン酸リチウム）および LiNO3。
2. 統合された詳細メカニズム
このシステムは、以下の3つのプロセスが相乗的に働くことで、アノードフリー電池の致命的な欠点（寿命の短さ）を克服しています。
① 自発的な「ハイブリッドSEI」の形成
電池の組み立て直後、RH内部では銅箔から銀、さらにLiNO3へと電子が移動する界面電子移動が起こります。これにより、電池を動かす前から Li2O（酸化リチウム） と Li3N（窒化リチウム） に富む堅牢な固体電解質界面（SEI）が自発的に形成されます。ここに電解液（DEL）由来の LiF（フッ化リチウム） が加わることで、機械的に強く、かつリチウムイオンを高速に通す「ハイブリッドSEI」が完成します。
② 銀ナノ粒子による「親石性」制御と合金化
充電時、リチウムはまず銀ナノ粒子と反応し、Li10Ag3 などのリチウム-銀合金を形成します。これが「核形成サイト（種）」となり、リチウムを均一に誘導します。
- 効果: リチウムがトゲ状に育つデンドライト現象を抑制し、ホストの多孔質構造がリチウムの体積変化を吸収するため、電池の膨張（スウェリング）を最小限に抑えます。
③ 正極（NCM811）の構造保護
高容量なニッケルリッチ正極（NCM811）は、充放電による酸素放出や粒界割れが課題です。DELに含まれる LiDFBP が正極表面に安定した界面層（CEI）を形成します。
- 効果: 電解液の酸化分解を遮断し、層状構造から岩塩構造への不可逆的な相転移を抑制します。これにより、高電圧下でも正極の結晶構造が維持されます。
3. 実証された性能と数値
これらの相乗効果により、過酷な条件下で以下の性能を達成しました。
- エネルギー密度: 1270.7 Wh/L（積層型パウチフルセル、包装含む）。
- サイクル寿命: コイン型フルセルにおいて、100サイクル後も 81.9% の容量を維持。
- 電解液の節約: 希薄電解液条件（E/C = 2.5 g Ah -1）においても、安定した動作を確認。
- 膨張抑制: 従来の構成では30サイクルで37%以上膨らむのに対し、RH-DEL系は 19.1% に抑制。
4. 結論
本研究は、「RHによる負極の可逆性向上」 と 「DELによる正負両極の界面安定化」 を統合することで、理論上最強とされるアノードフリー構成を現実的なデバイスへと昇華させました。スケーラブルな製造が可能であり、次世代の超高エネルギー密度バッテリーとしての実用性が極めて高いと結論づけられています。
出典：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202515906#support-information-section
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